PRESENTAZIONE di PRESENTAZIONE di G IULIO V ICHI - 4°C 2015/2016

  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 CENNI STORICI

 IDEATORI Richard Trevithick George Stephenson

 Inventore e ingegnere inglese di origine russa.  Nasce nel  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). RICHARD TREVITHICK

  «Penydarren»

 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. GEORGE STEPHENSON

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».

 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. STRUTTURA

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. RODIGGIO

 Ciclo termodinamico FASI: Introduzione del vapore (F-A-B) Espansione (A-B-C) Scarico (C-D-E) Compressione (D-E-F)

 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. Introduzione del vapore

 Trasformazione Isobara 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).

 In B la valvola si chiude e l’espansione, da isobara, diviene adiabatica. Il ciclo ha raggiunto adesso il punto C. Espansione

 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: la sua energia interna aumenta e il gas si riscalda. Trasformazione Adiabatica

Gli stati iniziale e finale di un gas che compie una trasformazione adiabatica sono legati dalla seguente relazione: P i ∙V i γ = P f ∙V f γ 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

 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. Scarico

 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 ∙(T B -T A ) L=0 Trasformazione Isocora

 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. Compressione

  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 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. Nella seconda metà dell’ Ottocento

 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.

 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. Funzionamento della doppia espansione

  Fu inventata dall'ingegnere svizzero Jules T. Anatole Mallet (23 maggio 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 Mallet

  configurazione asimmetrica, con i cilindri ad alta pressione sul lato sinistro e quelli a bassa pressione sul destro.  Usata in Italia. Modello Plancher

  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. Problemi doppia espansione

  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. Risoluzione: Vapore Surriscaldato

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.

  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. Splendore e Declino