Motore e Turbina a Vapore: Funzionamento, Componenti e Applicazioni Tecnologiche

Il Motore a Vapore: Principi e Componenti

Il motore a vapore è un esempio classico di motore a combustione esterna, dove il calore generato dalla combustione viene utilizzato per produrre vapore, che a sua volta aziona un meccanismo. Questo documento esplora i suoi elementi fondamentali e il funzionamento delle turbine a vapore.

Componenti Principali del Motore a Vapore

Gli elementi principali del motore a vapore e le funzioni che svolgono sono:

• Focolare: È l'elemento esterno alla macchina dove avviene la combustione del combustibile.
• Caldaia: Un recipiente in cui viene generato vapore. L'acqua, pompata nella caldaia, entra allo stato liquido a pressione e temperatura prossime a quella ambiente. All'interno della caldaia, l'acqua si riscalda e vaporizza, per poi procedere verso un surriscaldatore dove la temperatura aumenta ulteriormente, mantenendo però la pressione della caldaia. Infine, il vapore surriscaldato entra nel cilindro.
• Cilindro Motore: È costituito dal distributore, dal cassetto di distribuzione (o valvola a cassetto) e dallo stantuffo (o pistone). All'interno del cilindro, il vapore si espande e provoca il movimento alternativo del pistone, che viene poi trasmesso agli elementi di trasformazione del movimento. La funzione del cassetto di distribuzione è quella di indirizzare il vapore nel cilindro per ottenere il movimento alternativo del pistone. Dopo l'espansione, la pressione del vapore diminuisce, la temperatura cala e si forma della condensa. La miscela di vapore saturo e liquido viene poi inviata a un condensatore, dove il vapore residuo condensa cedendo calore a un fluido refrigerante. Infine, il liquido condensato viene reimmesso nella caldaia tramite una pompa, completando il ciclo.

La Turbina a Vapore: Funzionamento e Applicazioni

Le turbine a vapore rappresentano un meccanismo alternativo per sfruttare l'espansione del vapore. In esse, il vapore è distribuito da quattro ugelli che agiscono direttamente sulle pale di una ruota, facendola ruotare a velocità elevate, tipicamente intorno ai 10.000 giri/min. Passando attraverso gli ugelli, il vapore perde pressione e acquista velocità, mentre il flusso è orientato in modo che colpisca tangenzialmente le palette.

Vantaggi e Ottimizzazioni delle Turbine a Vapore

Questo dispositivo presenta il vantaggio dell'assenza di un cilindro di trasformazione e di organi di movimento alternativo, il che si traduce in un rendimento più elevato. Lo schema di funzionamento di base e il ciclo Rankine sono gli stessi sia per la turbina che per il motore a vapore. Modifiche al ciclo di base vengono solitamente apportate allo scopo di migliorare le prestazioni complessive. Due delle modifiche più importanti includono il surriscaldamento del vapore, il risurriscaldamento intermedio del vapore durante l'espansione e il preriscaldamento dell'acqua di alimentazione della caldaia mediante estrazione di vapore prima della sua completa espansione.

Utilizzo Attuale delle Turbine a Vapore

Le turbine a vapore sono attualmente utilizzate in diversi settori, tra cui:

• Impianti di produzione di energia elettrica
• Propulsione navale
• Alti forni
• Sistemi di cogenerazione