la locomotiva a vapore - Liceo scientifico Redi

PRESENTAZIONE
di
GIULIO VICHI - 4°C
2015/2016
CENNI STORICI
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 La locomotiva a vapore comparve agli inizi dell’800
in Inghilterra, come sostituto del cavallo meccanico
per il traino di convogli di carrelli di carbone.
Tuttavia la produzione di vapore era piuttosto scarsa
perché le caldaie a struttura verticale usate erano
poco più che pentoloni sul fuoco.
 La prima locomotiva a vapore a correre su dei binari
fu la «Penydarren» di Trevithick, nel 1804.
IDEATORI
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Richard Trevithick
George Stephenson
RICHARD
TREVITHICK
 Inventore e ingegnere inglese di origine russa.
 Nasce nel 1771.
 Lavora nella miniera di Wheal Treasury.
 Sviluppa un motore ad alta pressione
funzionante, molto richiesto nelle zone
minerarie.
RICHARD
TREVITHICK
 1796 primo prototipo di locomotiva.
 Diatriba con James Watt e
parlamento inglese.
 Protettorato di Samuel Homfray e
una macchina ad alta pressione per un
impianto siderurgico a Merthyr
Tydfil.
 Prima locomotiva: Penydarren (1804).
«Penydarren»
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 https://www.youtube.com/watch?v=nZCfXIZGFhc
GEORGE
STEPHENSON
 Nasce nel Northumberland nel
1781 (zona Rivoluzione
Industriale).
 Assunto nella Società Mineraria
come manutentore delle gallerie e
dei macchinari.
 Nel 1812 inizia a costruire motori
a vapore.
GEORGE
STEPHENSON
Progetta la sua prima locomotiva
nel 1814, destinata al trasporto
del carbone in una miniera.
Nel 1821 inizia a costruire
ferrovie.
Nel 1829 vince una gara con la
locomotiva Rocket.
Locomotiva Rocket diviene la
macchina più famosa al mondo.
CALDAIA TUBOLARE
Innovativa caldaia a struttura tubolare con tiraggio forzato dei fumi
mediante il vapore di scarico dei cilindri. Ideata da Stephenson per la
sua locomotiva «Rocket».
STRUTTURA
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Carro costituito da longheroni e traverse in ferro su cui
era montata la caldaia con forno e fumaiolo, una coppia
di cilindri motori collegati con bielle all'unica ruota
motrice e i comandi relativi alla condotta che era
appannaggio del macchinista posto su una semplice
piattaforma; completava il tutto un carro agganciato
con una grossa botte per l'acqua ed un cumulo di
carbone. Il gancio di trazione era costituito da una
catena ed i respingenti erano solo dei tamponi di legno
sulle testate. Il rodiggio era essenziale.
RODIGGIO
Il rodiggio di un veicolo ferroviario (locomotiva,
automotrice, carrozza o carro) è l'insieme degli organi
compresi fra le rotaie e la sospensione elastica: ruote,
cerchioni, assi, boccole, cuscinetti.
Ciclo termodinamico
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FASI:
• Introduzione del vapore (F-A-B)
• Espansione (A-B-C)
• Scarico (C-D-E)
• Compressione (D-E-F)
• Introduzione del vapore
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Nel punto F si apre la valvola di comunicazione tra il cilindro e la
caldaia che si trova ad elevata pressione.
Il cilindro inizia a riempirsi di vapore raggiungendo una pressione
P(A) e avviando la fase di espansione a pressione costante fino al
punto B. La pressione è costante perché la valvola è ancora aperta
ed equivale a quella all’interno della caldaia, pertanto si parla di
trasformazione isobara.
Trasformazione Isobara
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In una trasformazione isobara la variazione dell’energia interna di un
sistema è uguale alla differenza tra il calore assorbito dal sistema e il
lavoro compiuto dal sistema.
Quindi per il primo principio della termodinamica: ∆U=Q-L
(formula che rappresenta la variazione dell’energia interna di un sistema durante
una trasformazione in cui riceve una quantità di calore Q ed effettua un lavoro L).
• Espansione
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In B la valvola si chiude e l’espansione, da isobara, diviene
adiabatica. Il ciclo ha raggiunto adesso il punto C.
Trasformazione
Adiabatica
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Un sistema compie una trasformazione adiabatica quando evolve da
uno stato iniziale a uno stato finale senza scambi di calore con
l’ambiente, o meglio, quando avviene in tempi piccoli rispetto a quelli
necessari al sistema per scambiare con l’ambiente quantità apprezzabili
di calore.
Poiché il sistema non scambia calore con l’esterno, Q=0 e l’equazione
del primo principio si riduce a ∆U=-L
Pertanto
 Se il gas si espande: L>0 e ∆U=Uf-Ui<0: la sua energia interna
diminuisce e il gas si raffredda.
 Se il gas si comprime: L<0 e ∆U=Uf-Ui>0: la sua energia interna
aumenta e il gas si riscalda.
Gli stati iniziale e finale di un gas che compie una
trasformazione adiabatica sono legati dalla seguente
relazione:
γ
γ
Pi ∙Vi = Pf ∙Vf
Dove γ = Cp/Cv è il rapporto dei calori molari del gas e
vale γ=(f+2)/f ; f sono i gradi di libertà del gas.
Cp è il calore molare a pressione costante
Cp=(Q/n ∙∆T)isobara
Cp=[(f+2)/2] ∙R
Cv è il calore molare a volume costante
Cv=(Q/n ∙∆T)isocora
Cv=f/2 ∙R
• Scarico
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Nel punto C si apre la valvola comunicante con il condensatore
che, trovandosi a bassa pressione, lascia scaricare il vapore tramite
trasformazione isocora.
Raggiunto il punto D, il cilindro inverte la sua corsa scaricando il
vapore esausto verso il condensatore con una trasformazione
isobara che termina nel punto E.
Trasformazione Isocora
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In un trasformazione isocora la variazione dell’energia interna di
un sistema è uguale alla quantità di calore scambiato con
l’ambiente.
Per questa trasformazione il primo principio della termodinamica
assume la forma:
(∆U)=Q=1/2 ∙ f∙ n∙ R ∙(TB-TA)
L=0
• Compressione
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Raggiunto il punto E, la valvola di scarico si chiude e il resto della
compressione avviene in maniera adiabatica, concludendosi in F con
l’apertura della valvola della caldaia e iniziando un nuovo ciclo.
Nella seconda metà
dell’ Ottocento
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 Viene aggiunto un secondo asse motore accoppiato con bielle allo
scopo di contenere entro limiti accettabili il maggior peso delle
caldaie e dei meccanismi più grandi e, contemporaneamente,
scaricando su due assi lo sforzo di trazione se ne aumentano le
prestazioni entro i limiti di aderenza.
 Viene adottata la doppia espansione,
per ottenere i migliori risultati in fatto
non solo di rendimento
termodinamico, ma anche di
economia costruttiva, bilanciamento
delle parti in movimento e continuità
dello sforzo di trazione.
 Viene introdotta l’adozione del vapore surriscaldato
per aumentare la pressione e migliorare il rendimento.
 Infine si adottarono preriscaldatori il cui compito era
sfruttare il calore dei gas di scarico per elevare la
temperatura dell'acqua da immettere in caldaia.
Funzionamento della
doppia espansione
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Dato che il vapore scaricato dai cilindri contiene ancora
molta energia, è possibile immetterlo in una seconda
coppia di cilindri, per farlo ulteriormente espandere, e
sfruttare quindi un'ulteriore percentuale di quell'energia.
Questi nuovi cilindri, detti a bassa pressione, si
riconoscono immediatamente per la dimensione assai
maggiore rispetto agli altri due, necessaria per poter
compiere un lavoro paragonabile ai primi, pur agendo a
pressione inferiore.
Modello Mallet
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 Fu inventata dall'ingegnere svizzero Jules T. Anatole
Mallet (23 maggio 1837 - 10 ottobre 1919).
 Le «Mallet» erano locomotive a quattro cilindri,
quelli posteriori solidali con la caldaia, quelli
anteriori poggianti su un treno motore articolato
rispetto al telaio della macchina.
Modello Plancher
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 configurazione asimmetrica, con i cilindri ad alta
pressione sul lato sinistro e quelli a bassa pressione
sul destro.
 Usata in Italia.
Problemi doppia
espansione
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 Eccessivo ingombro dei cilindri a bassa pressione.
 Asimmetria dello sforzo di trazione.
 Necessità di caldaie a pressione maggiore (16 bar
anziché 12) per disporre di una pressione
ragionevole anche alla seconda espansione.
Risoluzione: Vapore
Surriscaldato
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 Temperatura e pressione di un fluido sono legate fra loro:
di conseguenza, data la pressione, non è possibile alzare
ulteriormente la temperatura del vapore saturo, cioè del
fluido "bifase" costituito da acqua e vapore, che è presente
in caldaia.
 Se però, anziché portare direttamente ai cilindri il vapore
prelevato dalla caldaia, gli si fa percorrere una serpentina
di condotti, infilati nei tubi bollitori della caldaia, esso
può aumentare la propria temperatura, cioè
"surriscaldarsi", dal momento che ora non è più in
contatto con l'acqua della caldaia.
 Da 200°C a 300°C.
Il lavoro compiuto dalla macchina equivale all’area
racchiusa nel grafico del ciclo. Per aumentare il
rendimento è stata aumentata l’area racchiusa dal grafico
del ciclo surriscaldando il vapore che nel diagramma
comporta un aumento della pressione nel tratto A-B.
Splendore e Declino
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 Tra il 1907 e il 1934 venne costruito un enorme
quantitativo di locomotive a vapore surriscaldato.
 Seconda metà anni ‘20: inizio elettrificazione
ferroviaria.
 1977 estinzione macchine a vapore in Italia.