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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Motore a vapore. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano Un motore a vapore è un motore termico a combustione esterna che converte l'energia del vapore acqueo in lavoro meccanico del movimento alternativo del pistone e quindi nel movimento rotatorio dell'albero. In un senso più ampio, un motore a vapore è qualsiasi motore a combustione esterna che converte l'energia del vapore in lavoro meccanico. La prima macchina a vapore fu costruita nel XVII secolo. Papen e rappresentava un cilindro con un pistone, che veniva sollevato dall'azione del vapore e abbassato dalla pressione dell'atmosfera dopo che il vapore di scarico si era addensato. Con lo stesso principio, le macchine a vapore di Savery e Newcomen furono costruite nel 1705 per pompare l'acqua dalle miniere. Gli ultimi miglioramenti alla macchina a vapore furono apportati da Watt (Watt) nel 1769.
Fino alla seconda metà del XNUMX° secolo, le persone utilizzavano principalmente motori ad acqua per esigenze produttive. Poiché è impossibile trasmettere il movimento meccanico da una ruota idraulica su lunghe distanze, tutte le fabbriche dovevano essere costruite sulle rive dei fiumi, il che non era sempre conveniente. Inoltre, per il funzionamento efficiente di un tale motore, erano spesso necessari costosi lavori preparatori (sviluppo di stagni, costruzione di dighe, ecc.). Le ruote idrauliche avevano anche altri inconvenienti: avevano poca potenza, il loro lavoro dipendeva dalla stagione ed era difficile da regolare. A poco a poco, iniziò a farsi sentire acutamente la necessità di un motore fondamentalmente nuovo: potente, economico, autonomo e facilmente controllabile. Il motore a vapore è diventato un tale motore per un intero secolo. L'idea di una macchina a vapore è stata in parte suggerita ai suoi inventori dal progetto di una pompa dell'acqua alternativa, nota nell'antichità. Il principio del suo funzionamento era molto semplice: quando il pistone veniva sollevato, l'acqua veniva aspirata nel cilindro attraverso una valvola posta sul fondo. La valvola laterale che collegava il cilindro al tubo di sollevamento dell'acqua era allora chiusa, poiché anche l'acqua proveniente da questo tubo tendeva ad entrare nel cilindro e quindi chiudeva questa valvola. Quando il pistone è stato abbassato, ha iniziato a esercitare pressione sull'acqua nel cilindro, a causa della quale la valvola inferiore si è chiusa e la valvola laterale si è aperta. In questo momento, l'acqua dal cilindro veniva fornita lungo il tubo montante. In una pompa a pistoni, il lavoro ricevuto dall'esterno è stato speso per spostare il fluido attraverso il cilindro della pompa. Gli inventori della macchina a vapore hanno cercato di utilizzare lo stesso design, ma solo nella direzione opposta. Il pistone-cilindro è la base di tutti i motori a pistoni a vapore.
I primi motori a vapore, tuttavia, non erano tanto motori quanto pompe a vapore utilizzate per pompare l'acqua dalle miniere profonde. Il principio del loro funzionamento si basava sul fatto che dopo il raffreddamento e la condensazione in acqua, il vapore occupava 170 volte meno spazio rispetto allo stato riscaldato. Se forzi l'aria fuori dal recipiente con vapore riscaldato, lo chiudi e poi raffreddi il vapore, la pressione all'interno del recipiente sarà molto inferiore a quella esterna. La pressione atmosferica esterna comprimerà un tale recipiente e, se al suo interno viene posizionato un pistone, si sposterà verso l'interno con maggiore forza, maggiore è la sua area. Per la prima volta, un modello di tale macchina fu proposto nel 1690 da Papin. Nel 1702 creò la sua pompa Severi. Ma la più usata nella prima metà del 1711° secolo fu la macchina a vapore Newcomen, creata nel XNUMX.
Il cilindro del vapore è stato posizionato a Newcomen sopra la caldaia a vapore. L'asta del pistone (l'asta collegata al pistone) era collegata tramite un collegamento flessibile all'estremità del bilanciere. L'asta della pompa era collegata all'altra estremità del bilanciatore. Il pistone è salito nella posizione più alta sotto l'azione di un contrappeso fissato all'estremità opposta del bilanciere. Inoltre, il movimento verso l'alto del pistone era assistito dal vapore lanciato in quel momento nel cilindro. Quando il pistone era nella sua posizione più alta, la valvola era chiusa, che faceva entrare il vapore dalla caldaia nel cilindro e l'acqua veniva spruzzata nel cilindro. Sotto l'azione di quest'acqua, il vapore nel cilindro si è rapidamente raffreddato, condensato e la pressione nel cilindro è diminuita. A causa della differenza di pressione creata all'interno del cilindro e all'esterno di esso, la forza della pressione atmosferica ha spostato il pistone verso il basso, mentre svolgeva un lavoro utile: ha messo in moto il bilanciatore, che ha spostato l'asta della pompa. Pertanto, il lavoro utile è stato eseguito solo quando il pistone si è abbassato. Quindi il vapore è stato nuovamente lanciato nel cilindro. Il pistone si sollevò di nuovo e l'intero cilindro si riempì di vapore. Quando l'acqua veniva spruzzata di nuovo, il vapore condensava di nuovo, dopodiché il pistone faceva un altro utile movimento verso il basso, e così via. Infatti, nella macchina di Newcomen, la pressione atmosferica faceva il suo lavoro e il vapore serviva solo a creare uno spazio rarefatto.
Alla luce dell'ulteriore sviluppo del motore a vapore, diventa chiaro lo svantaggio principale della macchina di Newcomen: il cilindro di lavoro al suo interno era allo stesso tempo un condensatore. Per questo motivo è stato necessario raffreddare e poi riscaldare alternativamente il cilindro e il consumo di carburante si è rivelato molto elevato. Ci sono stati casi in cui c'erano 50 cavalli con l'auto, avendo a malapena il tempo di fornire il carburante necessario. Il coefficiente di prestazione (COP) di questa macchina ha appena superato l'1%. In altre parole, il 99% di tutta l'energia calorica è stata sprecata inutilmente. Tuttavia, questa macchina era molto diffusa in Inghilterra, soprattutto nelle miniere, dove il carbone costava poco. Gli inventori successivi apportarono numerosi miglioramenti alla pompa Newcomen. In particolare, nel 1718, Bayton escogitò un meccanismo di distribuzione ad azione automatica che accendeva o spegneva automaticamente il vapore e lasciava entrare l'acqua. Ha anche aggiunto una valvola di sicurezza alla caldaia a vapore. Ma il concetto della macchina di Newcomen è rimasto invariato per 50 anni, fino a quando James Watt, un meccanico dell'Università di Glasgow, ha intrapreso il suo miglioramento. Nel 1763-1764 dovette riparare un campione della macchina di Newcomen appartenente all'università. Watt ne fece un piccolo modello e iniziò a studiarne il funzionamento. Allo stesso tempo, ha potuto utilizzare alcuni degli strumenti che appartenevano all'università e si è servito dei consigli dei professori. Tutto ciò gli ha permesso di esaminare il problema in modo più ampio rispetto a molti meccanici prima di lui, ed è stato in grado di creare un motore a vapore molto più avanzato.
Lavorando con il modello, Watt ha scoperto che quando il vapore veniva lanciato in un cilindro raffreddato, condensava in quantità significative sulle sue pareti. Divenne subito chiaro a Watt che per un funzionamento più economico del motore, era più opportuno mantenere il cilindro costantemente riscaldato. Ma come fare in questo caso a condensare il vapore? Per diverse settimane ha riflettuto su come risolvere questo problema e alla fine si è reso conto che il raffreddamento del vapore doveva avvenire in un cilindro separato collegato al tubo corto principale. Lo stesso Watt ricorda che una volta, durante una passeggiata serale, passò davanti a una lavanderia, e poi, alla vista di nuvole di vapore che uscivano dalla finestra, intuì che il vapore, essendo un corpo elastico, doveva precipitare in uno spazio rarefatto. Proprio in quel momento gli venne l'idea che la macchina di Newcomen dovesse essere integrata con un recipiente separato per la condensazione del vapore. Una semplice pompa, azionata dalla macchina stessa, potrebbe rimuovere aria e acqua dal condensatore, in modo che ad ogni corsa della macchina si possa creare uno spazio scaricato.
Successivamente, Watt ha apportato molti altri miglioramenti, a seguito dei quali la macchina ha assunto la forma seguente. I tubi erano collegati ad entrambi i lati del cilindro: attraverso quello inferiore il vapore entrava dalla caldaia a vapore e attraverso quello superiore veniva scaricato al condensatore. Il condensatore era costituito da due tubi di latta posti verticalmente e collegati tra loro nella parte superiore da un corto tubo orizzontale con un foro otturato da un rubinetto. Il fondo di questi tubi era collegato a un terzo tubo verticale che fungeva da pompa di uscita dell'aria. I tubi che componevano il frigorifero e la pompa dell'aria erano posti in un cilindretto di acqua fredda. Il tubo del vapore era collegato a una caldaia, dalla quale il vapore veniva rilasciato in un cilindro. Quando il vapore riempiva il cilindro, la valvola del vapore veniva chiusa e il pistone della pompa dell'aria del condensatore veniva sollevato, per cui si otteneva uno spazio altamente scaricato nei tubi del condensatore. Il vapore si precipitava nei tubi e lì si condensava, e il pistone si sollevava trascinando con sé il carico (così è stato misurato il lavoro utile del pistone). Quindi il rubinetto di uscita è stato chiuso. Nel 1768, sulla base di questo modello, fu costruita la grande macchina di Watt presso la miniera del minatore Rebuk, per la cui invenzione ricevette il suo primo brevetto nel 1769. La più fondamentale e importante nella sua invenzione fu la separazione del cilindro del vapore e del condensatore, grazie alla quale non veniva spesa energia per il riscaldamento costante del cilindro. L'auto è diventata più economica. La sua efficienza è aumentata. Negli anni successivi, Watt ha lavorato duramente per migliorare il suo motore. Allo stesso tempo, ha dovuto superare molte difficoltà, sia finanziarie che tecniche. Entrò in una società con il proprietario di un impianto di lavorazione dei metalli, Bolton, che gli fornì denaro. C'erano altri problemi: il motore richiedeva tenuta e un preciso montaggio delle parti tra loro. Il pistone e il cilindro dovevano essere perfettamente dimensionati per evitare la fuoriuscita del vapore. Una tale precisione era nuova per l'ingegneria meccanica di quei tempi, non c'erano nemmeno le macchine di precisione necessarie. Il sottosquadro dei cilindri di grande diametro sembrava essere un problema quasi insolubile. Di conseguenza, le prime macchine Watt funzionavano in modo insoddisfacente: il vapore fuoriusciva dal cilindro, i condensatori non funzionavano bene, il vapore fischiava attraverso il foro in cui si muoveva lo stelo del pistone, trapelava tra le pareti del pistone e del cilindro. Ho dovuto realizzare macchine speciali per alesare i cilindri. (In generale, la creazione di una macchina a vapore segnò l'inizio di una vera rivoluzione nella costruzione di macchine utensili: per padroneggiare la produzione di macchine a vapore, l'ingegneria meccanica doveva salire a un livello qualitativamente superiore.) Infine, tutte le difficoltà furono superate , e dal 1776 iniziò la produzione in fabbrica di motori a vapore. Diversi miglioramenti fondamentali furono apportati alla macchina del 1776 rispetto al design del 1765. Il pistone è stato posizionato all'interno del cilindro, circondato da una camicia di vapore (camicia). Di conseguenza, la perdita di calore è stata ridotta al minimo. L'involucro era chiuso dall'alto, mentre il cilindro era aperto. Il vapore entrava nel cilindro dalla caldaia attraverso un tubo laterale. La bombola era collegata al condensatore tramite un tubo dotato di una valvola di uscita del vapore. Leggermente sopra questa valvola e più vicino al cilindro, è stata posizionata una seconda valvola di bilanciamento. Quando entrambe le valvole erano aperte, il vapore rilasciato dalla caldaia riempiva tutto lo spazio sopra e sotto il pistone, forzando l'aria attraverso un tubo nel condensatore. Quando le valvole sono state chiuse, l'intero sistema ha continuato a rimanere in equilibrio. Quindi è stata aperta la valvola di uscita inferiore, separando lo spazio sotto il pistone dal condensatore. Il vapore da questo spazio è stato inviato al condensatore, qui raffreddato e condensato. In questo caso, si è creato uno spazio rarefatto sotto il pistone e la pressione è diminuita. Dall'alto, il vapore proveniente dalla caldaia continuava ad esercitare pressione. Sotto la sua azione, il pistone è sceso e ha svolto un lavoro utile, che è stato trasferito all'asta della pompa con l'aiuto di un equilibratore. Dopo che il pistone è caduto nella posizione più bassa, la valvola di bilanciamento superiore si è aperta. Il vapore riempì di nuovo lo spazio sopra e sotto il pistone. La pressione nel cilindro era bilanciata. Sotto l'azione di un contrappeso posto all'estremità del bilanciere, il pistone si sollevava liberamente (senza compiere alcun lavoro utile). Quindi l'intero processo è proseguito nella stessa sequenza. Sebbene questa macchina Watt, come il motore di Newcomen, sia rimasta unilaterale, aveva già una differenza importante: se il lavoro di Newcomen era svolto dalla pressione atmosferica, allora il vapore lo faceva per Watt. Aumentando la pressione del vapore è stato possibile aumentare la potenza del motore e quindi influenzarne il funzionamento. Tuttavia, ciò non eliminava il principale inconveniente di questo tipo di macchine: eseguivano un solo movimento di lavoro, lavoravano a scatti e quindi potevano essere utilizzate solo come pompe. Negli anni 1775-1785 furono costruiti 66 di questi motori a vapore. Affinché una macchina a vapore potesse alimentare altre macchine, era necessario che creasse un moto circolare uniforme. La differenza fondamentale tra una macchina del genere era che il pistone doveva eseguire due movimenti di lavoro, sia in avanti che all'indietro. Un tale motore a doppio effetto fu sviluppato da Watt nel 1782. Il vapore qui veniva rilasciato prima da un lato, poi dall'altro lato del pistone e lo spazio sul lato opposto all'ingresso del vapore veniva collegato ogni volta al condensatore. Questo problema è stato risolto con l'aiuto di un ingegnoso sistema di tubi di scarico, chiusi e aperti con l'aiuto di una bobina.
La bobina era una valvola che si muoveva davanti a due fori per far passare il vapore. Ad ogni corsa della valvola da un lato o dall'altro, un foro si apriva e un altro si chiudeva, per cui cambiava il percorso lungo il quale poteva passare il vapore. Il movimento della bobina aveva un carattere complesso in ogni posizione estrema, quando un foro era aperto e l'altro era chiuso, doveva fermarsi per un po' per saltare una parte del vapore, e passare la posizione centrale con la stessa rapidità con cui possibile. Il movimento della bobina era controllato da uno speciale meccanismo posizionato sull'albero. La parte principale era un eccentrico.
L'eccentrico, inventato da Watt, consisteva in un piatto di forma speciale, seduto su un asse situato non al centro di questo piatto, ma a una certa distanza da esso. Con questo montaggio, c'era più piastra su un lato dell'asse che sull'altro. Il piatto stesso era circondato da un anello, a cui era attaccata un'asta per muovere la bobina. Durante la rotazione del piatto, la sua rotondità premeva costantemente su un nuovo punto all'interno della superficie dell'anello e, con il suo lato più largo, lo metteva in moto. Insieme a ogni giro dell'albero, si verificava un colpo della bobina. La natura della rotazione dell'anello (e, di conseguenza, il movimento della spinta) dipendeva dalla forma della piastra inserita nell'eccentrico. Attraverso i calcoli, è stata selezionata una tale forma, che durante un giro ha causato l'accelerazione o la decelerazione o l'arresto della bobina. Con l'introduzione di questo dispositivo, Watt ha reso il funzionamento della sua macchina completamente automatico. All'inizio il funzionamento del motore veniva osservato da un operaio, il cui compito era quello di regolare l'erogazione del vapore. Se il motore iniziava a dare una velocità troppo elevata, bloccava il tubo di distribuzione del vapore con un'apposita serranda e quindi riduceva la pressione del vapore. Quindi questa funzione è stata assegnata ad un apposito regolatore centrifugo, così disposto. Il movimento dell'albero di lavoro è stato trasmesso alla puleggia del regolatore. Quando quest'ultimo iniziava a ruotare troppo velocemente (e quindi il regime del motore aumentava eccessivamente), le sfere del regolatore si sollevavano sotto l'azione della forza centrifuga e mettevano in moto un manicotto di valvola e una leva che limitavano la quantità di vapore. Con una diminuzione del numero di giri, le sfere cadevano e la valvola si apriva leggermente.
Dato il funzionamento di tutti questi dispositivi, è facile immaginare il principio generale della macchina. Dalla caldaia a vapore, il vapore passava attraverso il tubo nello spazio b e da lì, a causa del movimento della bobina, veniva diretto al cilindro sopra il pistone B o sotto di esso. Quando il vapore entrava nello spazio sopra il pistone, quest'ultimo scendeva e, una volta sotto il pistone, lo sollevava. C'era una valvola nel tubo del vapore che permetteva il passaggio di più o meno vapore, a seconda della necessità. La posizione della valvola era regolata da un regolatore centrifugo di vapore f. Una e eccentrica sedeva sull'albero principale, il cui stelo SS passava dall'altro lato della macchina sotto il rocchetto e, con l'aiuto di una leva, alzava o abbassava il rocchetto. Il movimento del pistone B è stato trasmesso allo stelo O, che è passato completamente a tenuta nella testata e da esso al bilanciere mobile. All'estremità opposta del bilanciere c'era la parte G, che catturava dal basso la manovella dell'albero principale K. Pertanto, ad ogni salita e discesa del pistone, c'era un giro di questo albero e il volano L seduto su di esso. la forza veniva trasmessa dall'albero principale utilizzando cinghie o altri mezzi lì, dove avrebbe dovuto essere utilizzata. Il condensatore si trovava nella parte inferiore della macchina. Era costituito da una vasca riempita d'acqua, che veniva costantemente rinnovata per mezzo di una pompa q, e da una vasca D dove avveniva la condensazione. L'acqua fredda non solo circondava il serbatoio, ma vi entrava anche attraverso molti piccoli fori. L'acqua calda scaricata veniva costantemente pompata con l'aiuto della pompa dell'acqua C. L'acqua calda entrava nella scatola e veniva nuovamente pompata nella caldaia a vapore con l'aiuto della pompa Mm.
La creazione di un meccanismo per trasmettere il movimento dal pistone all'albero ha richiesto enormi sforzi da parte di Watt. Molti dei compiti che risolveva erano generalmente al confine delle possibilità tecniche dell'epoca. Uno dei problemi era creare la tenuta necessaria. In un cilindro a doppio effetto, a differenza di un cilindro a semplice effetto, entrambi i lati dovevano essere ben chiusi. Ma poiché il pistone doveva avere un collegamento con parti esterne, nel coperchio è stato lasciato un foro rotondo, in cui l'asta del pistone (asta) andava completamente a tenuta. Watt ebbe l'idea di mettere nel coperchio uno spesso strato di stoppa oliato ben avvitato, lungo il quale l'asta scivolava senza toccare il metallo del cilindro. Inoltre la canna, per la sua scorrevolezza, si sfregava molto poco. Un altro problema era nello stesso meccanismo di conversione del movimento: in fondo, per trasferire il lavoro utile svolto dal pistone durante il suo movimento verso l'alto, era necessario che lo stelo fosse rigidamente collegato al bilanciere. Su tutte le precedenti macchine a vapore, erano collegate da una catena. Ora dovevo pensare a come collegare rigidamente l'asta, che si muoveva in linea retta, e l'estremità del bilanciere, che si muoveva ad arco. Watt ha raggiunto questo obiettivo creando uno speciale dispositivo di trasmissione, chiamato parallelogramma di Watt.
L'estremità del bilanciere A era qui articolata da un leveraggio ADB con punto B della leva BC collegato nel punto C ad una parte fissa del motore. L'intero sistema aveva quindi due punti fissi di rotazione: il centro del bilanciere, attorno al quale oscillava il bilanciere, e il punto C, attorno al quale ruotava la leva CB. Il punto A all'estremità del bilanciere e il punto B all'estremità della leva CB si sono mossi lungo archi descritti dal centro del bilanciere e dal punto C. Contemporaneamente il punto D dell'asta ADB collega i punti A e B compie movimenti molto vicini alla verticale e rettilineo. Questo punto era collegato allo stelo del pistone. Successivamente, Watt ha migliorato questo dispositivo trasmittente ottenendo due punti di collegamento del moto rettilineo. Ne collegò uno all'asta del pistone e l'altro allo stelo della pompa ausiliaria a servizio del motore. La creazione di questo dispositivo di trasmissione richiese così tanto impegno da parte di Watt che lo considerò la sua più grande invenzione. Ha scritto: "Sebbene non mi interessi particolarmente della mia fama, sono più orgoglioso dell'invenzione del parallelogramma di qualsiasi altra mia invenzione".
Quindi i movimenti oscillatori del bilanciere sono stati convertiti con l'ausilio di una manovella in rotazionali (poiché il meccanismo a manovella è stato brevettato da Picard, nelle prime macchine di Watt, il movimento oscillatorio del bilanciere è stato convertito in movimento rotatorio utilizzando il solare-planetario meccanismo creato da Watt, non appena scaduto il brevetto di Picard, hanno iniziato a utilizzare una trasmissione a manovella). Grazie al movimento rotatorio dell'albero di lavoro ottenuto a seguito di tutte queste trasformazioni, il nuovo motore Watt era idoneo all'azionamento di altre macchine operatrici. Questo gli ha permesso di svolgere un ruolo rivoluzionario nello sviluppo di una grande industria meccanica. Negli anni 1785-1795 furono prodotti 144 di questi motori a vapore e nel 1800 in Inghilterra erano già in funzione motori a vapore da 321 Watt. Erano usati letteralmente in tutte le sfere della produzione. La grande opera di Watt fu debitamente apprezzata dai suoi contemporanei e discendenti. Dopo la morte dell'inventore nel 1819, il Parlamento inglese onorò la sua memoria con la costruzione di un monumento in marmo nell'Abbazia di Westminster. Autore: Ryzhov KV
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