Il motore a vapore: la tecnologia che ha cominciato la rivoluzione industriale

Il motore a vapore riveste un ruolo importantissimo nella storia industriale e del mondo. Tra la fine del Seicento e l’inizio del Settecento, le pompe guidate da motori a vapore hanno permesso di dare il via alla rivoluzione industriale nel Regno Unito.

Da quel momento i motori a vapori si sono sviluppati fino all’introduzione del petrolio liquido, sorpassato poi da benzina e diesel, quando i motori a combustione interna hanno preso piede.

 

Come funziona il motore a vapore

I motori a vapore sono di diverso tipo, ma tutti hanno un funzionamento simile.

Vi è un boiler che serve a scaldare l’acqua per avere il vapore. Può essere scaldato dal carbone o dal petrolio o da qualsiasi altra fonte di calore.

Si può quindi dire che questi motori siano a combustione esterna, proprio perché la combustione avviene fuori dal ciclo.

Troviamo poi il gruppo motore, o motore vero e proprio. Il motore a vapore vero e proprio è ciò che trasforma l’entalpia del vapore acqueo caldo in lavoro. Ci sono diversi motori, a seconda dell’età e dell’uso del motore. Principalmente possiamo parlare di motore a pistone o motore a turbina. Gli altri motori sono tutti variazioni di questi due tipi.

Il motore a vapore a pistoni

Il motore a vapore a pistoni funziona molto diversamente rispetto a quello a combustione interna, cioè quello sui piccoli generatori o sulle automobili.

Infatti, nei motori a combustione interna è l’esplosione a spingere il pistone. Nei motori a vapore, invece, si fa entrare il vapore attraverso una valvola a cassetto per far muovere il motore in entrambe le direzioni.

Vi sono modi per aumentare l’efficienza dell’espansione. Il primo è di scomporre l’espansione in più passaggi. In questo modo nel primo cilindro vi è la prima espansione, nel cilindro successivo, più grande, si continua a espandere.

Visto che nelle successive espansioni si abbassa la pressione, e visto che i pistoni sono collegati allo stesso albero, si deve aumentare la superficie del pistone per avere la stessa forza applicata.

 

Il motore a turbina

Come le turbine a gas, la turbina a vapore è un motore che produce un movimento rotatorio. Questa turbina opera con lo stesso ciclo termodinamico delle turbine a gas, ma senza la parte di compressione. Non si tratta quindi di un turbocompressore, è presente solo la turbina.

Questo perché non vi è proprio necessità di compressione, in quanto prima della turbina vi è il boiler che scalda l’acqua per trasformarla in vapore.

Attraverso le pale del rotore (la parte della turbina collegata all’albero) e le pale dello statore (la parte attaccata all’involucro esterno, ferme) si trasforma l’entalpia del vapore in movimento. Questo processo avviene grazie all’unione di pale di rotore e statore, che si comportano come un ugello, che trasforma l’entalpia in energia cinetica.

Ora a che punto siamo?

Nel mondo contemporaneo, i motori a vapore si usano ancora in molte applicazioni, alcune anche “verdi”. Si pensi ad esempio alle centrali solari elettriche termiche o termodinamiche. Il funzionamento di queste centrali avviene attraverso il riscaldamento dell’acqua per via di una serie di specchi parabolici che concentrano la radiazione solare su una torre.

Quest’acqua riscaldata sotto forma di vapore passa poi per delle turbine, producendo energia elettrica.

In questa applicazione è stato anche pensato di sostituire all’acqua dei sali fusi, per poter sfruttare l’evaporazione a temperature più alte.

Inoltre, virtualmente tutte le centrali elettriche, usano turbine a vapore per la produzione dell’energia elettrica. Ma forse l’uso più interessante nella società moderna dei motori a vapore è quello della propulsione nucleare. Infatti, sia nelle centrali nucleari a terra che nel nucleare marino, la fissione serve a generare calore che poi scalda dell’acqua che si trasforma in vapore, e di conseguenza può essere usata.