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tecnica locomozione a vapore
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tecnica locomozione a vapore
da patuzmn » 5 gen 2012, 17:57
buon giorno a tutti!!
girando un po' in rete ho trovato alcune spiegazioni sulla tecnica della locomotiva a vapore
ad esempio su ildeposito.net
http://www.ildeposito.net/
e sul sito di italvapore
http://www.italvapore.it/newsite/libri/steamloco/pag1.htm
mi piacerebbe discuterne un po'...
e comincio subito con alcuni dubbi, che sono sicuro molti di voi sapranno risolvere
-sulla questione del tiraggio: da quello che ho capito per permettere alla locomotiva di produrre più vapore in relazione al suo utilizzo, il vapore utilizzato dagli stantuffi viene in parte rimandato alla camera a fumo "portandosi via" attraverso il camino i gas di scarico, questo comporta il "tiraggio" dalla caldaia e la conseguente produzione di vapore. come mai ciò avviene? cioè: se i gas e il vapore esausto liberano la camera a fumo, attirano nuovo vapore dalla caldai?
-sulla questione del rapporto tra calore, velocità e pressione: nelle locomotive con surriscaldatore un importante passo in avanti è stata la possibilità di [b]aumentare il calore dei gas di combustione nei tubi bollitori senza aumentarne la pressione[/b]...perchè [b]senza aumentare la pressione[/b]? l'aumento di pressione è solo una questione costitutiva della macchina (cioè non sopporterebbe pressioni maggiori) e c'è altro?
-ed infine, a proposito degli iniettori, qual'è il rapporto tra velocità e pressione? perchè all'aumentare dalle velocità la pressione diminuise e viceversa?
alcuni dei miei dubbi sicuramente ad occhio un minimo pratico potrebbero sembrare banali, ma per quelle poche competenze che ho mi piacerebbe molto se qualcuno me le chiarisse.
Ciao a tutti! -
da n/a » 5 gen 2012, 18:10
Messaggio di patuzmn
-sulla questione del tiraggio: da quello che ho capito per permettere alla locomotiva di produrre più vapore in relazione al suo utilizzo, il vapore utilizzato dagli stantuffi viene in parte rimandato alla camera a fumo "portandosi via" attraverso il camino i gas di scarico, questo comporta il "tiraggio" dalla caldaia e la conseguente produzione di vapore. come mai ciò avviene? cioè: se i gas e il vapore esausto liberano la camera a fumo, attirano nuovo vapore dalla caldai?
Da ignorante in materia, ma con un camino in casa, mi viene da pensare che aumentando il tiraggio della camera a fumo, si aumenta l'intensità della combustione ( migliore "respiro" della fiamma ), quindi del calore, quindi della quantità di vapore prodotto.
Aspettiamo comunque gli esperti
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da AndrE656 » 5 gen 2012, 20:09
Messaggio di patuzmn
-sulla questione del tiraggio: da quello che ho capito per permettere alla locomotiva di produrre più vapore in relazione al suo utilizzo, il vapore utilizzato dagli stantuffi viene in parte rimandato alla camera a fumo "portandosi via" attraverso il camino i gas di scarico, questo comporta il "tiraggio" dalla caldaia e la conseguente produzione di vapore. come mai ciò avviene? cioè: se i gas e il vapore esausto liberano la camera a fumo, attirano nuovo vapore dalla caldai?
-ed infine, a proposito degli iniettori, qual'è il rapporto tra velocità e pressione? perchè all'aumentare dalle velocità la pressione diminuise e viceversa?
Sul fatto degli iniettori il discorso è semplice come pure sul fatto poca pressione, poco vapore, poca velocità.
L'ignezione dell'acqua in caldaia funzione pressochè così: si apra la valvola del vapore al massimo che manda vapore nel tendere, mandando in pressione l'acqua a quel punto apri l'acqua e chiudi un po' il vapore ovviamente il vapore utilizzato è comune a quello usato per la trazione va di per se che già si usa vapore che entra nei cilindri e poi esce dal fumaiolo inoltre lo si utilizza per tirare l'acqua la pressione scende se la generazione del vapore è minore rispetto al suo consumo
sul fatto del tiraggio l'esempio di Fabio da la spiegazione
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da patuzmn » 5 gen 2012, 20:26
poco vapore, poca velocità
mi sa che non mi sono spiegato benissimo su questo punto, o forse ho proprio capito male l'articolo:
io non mi riferivo al rapporto tra velocità della macchina e pressione del vapore, ma tra velocità del vapore e pressione dello stesso...
a quel che ho capito il vapore viene sparato attraverso gli iniettori per spingere e scaldare l'acqua proveniente dal tender, solo che all'interno dell'iniettore ci sono tre coni coassiali che, attraverso un gioco di allargamento/restringimento della via, accelerano o rallentano il getto di vapore, la cui velocità modifica a sua volta la pressione, di modo che alla fine il vapore e l'acqua rientrante in caldaia abbia già una certa pressione...
almeno io l'ho capita così
comunque grazie dell'aiuto finora, lo trovo molto interessante -
da AndrE656 » 5 gen 2012, 20:30
Praticamente il vapore buttato nel tender serve solo per far andare l'acqua nella caldaia che sarà riscaldata dalla fiamma nel forno la modifica della velocità serve per non avere esagerati cali di pressione per esempio quando la macchina è stazionata con fuoco di stazionamento e tiri l'acqua per volta per vari motivi: 1) soprattutto ora l'acqua è molto più fredda nel tendere e buttare acqua piuttosto fredda in un ambiente molto caldo rovina i materiali, 2 la pressione in stazionamente se non erro è in torno alle 6 bar su 12 immaginati di mandare tutto il vapore nel tendere, di colpo avresti un abbassamento di pressione, riduzione dell'ignezione dell'acqua e infine nella caldai non ne hai mandata praticamente niente
Il vapore una volta usato per spostare l'acqua perde calore e quindi non viene riutilizzato ma espulso sotto la macchina o meglio in genere sotto la cabina dove c'è lo sfogo degli iniettori -
da AndrE656 » 5 gen 2012, 20:45
sul fatto dei riscaldatori provo a risponderti seguendo la logica ovvero se in caldaia mandi l'acqua già scaldata dai fumi di scarico arriverà prima all'ebolizzione quindi minor tempo di attesa èer andare in pressione per la marcia, risparmio di carbone e pressione pressochè costante o comunque variabile di poco. Non serve aumentare la pressione perchè maggiore pressione, maggiore consumo di acqua e carbone e maggior rischio e poi tanto il motore è quello più di tanto non potrebbe fare.
In train simulator sono simulati 2 iniettori come al vero, ma in realtà se usa uno solo, quelli che sono aperti o chiusi sono il flusso d'acqua -
da patuzmn » 5 gen 2012, 21:01
si, forse è chiaro: tanto più o meno una locomotiva sta sui 12 bar, non serve aumentare la pressione ulteriormente....
però anche qui non sono sicuro che ci siamo intesi
non mi riferisco tanto al [b]preriscaldatore[/b] che in linea di massima utilizza i vapori esausti per scaldare l'acqua [b]prima[/b] che entri in caldaia (le locomotive dotate di questo sistema sono riconoscibili da grossi tubi esterni che sembrano quasi delle carenature). mi riferisco piuttosto al [b]surriscaldatore[/b]...
in pratica i gas esausti, invece di finire subito nell'atmosfera, vengono riutilizzati (dunque ottimizzazione dell'energia) attraverso dei tubi che attraversano i tubi bollitori aumentandone (credo) la temperatura. Dunque questo vapore esausto non viene reinserito in caldaia, ma passa [b]dentro[/b] i tubi bollitori, dunque riscalda [b] i gas di combustione[/b] che a loro volta fanno bollire l'acqua.
ma se così è, cosa c'entra il discorso che fanno della pressione [b]se è quella dei gas di scarico?[/b]
è vero, come dici tu, che per avere una pressione maggiore devo scaldare più materiale, ma se il gas di combustione viene riscaldato a sua volta dal vapore esausto (che altrimenti andrebbe perso) che mi importa se questo riscaldamento aumenta o meno la pressione nei tubi bollitori? -
da RobitailleFan » 5 gen 2012, 21:18
Il surriscaldatore funziona facendo ripassare i gas di scarico attorno ai tubi del bollitore che contengono già del vapore. Quando accendi un fuoco non tutto il calore va a far bollire l'acqua, ma solo una parte. Per utilizzare tutta la quantità di calorie presenti nei gas di scarico si fa passare il vapore appena prodotto in altri fasci tubieri che vengono riscaldati a loro volta dai gas che arrivano dal bollitore vero e proprio.
Riguardo al tiraggio è giusto ciò che ha scritto Fabio, e ti aggiungo che per far tirare meglio il camino al suo interno è posto un ugello da cui esce il vapore "esaurito" che non fa altro che per il principio di Venturi aspirare e aumentare la velocità di espulsione del fumo. Anche gli iniettori dell'acqua sfruttano l'effetto Venturi. Se volete maggiori spiegazioni qui vi spiegano come funziona l'effetto di aspirazione del camino, e qui perché accelerando un fluido esso perde di pressione. -
da AndrE656 » 5 gen 2012, 21:36
A il tubo di venturi a scuola lo usiamo durante lo studio dei sistemi automatici di controllo di grandezze fisiche noi l'abbiamo applicato a un sistema feed forward per mantenere costante il livello di acqua in un serbatoio, ma questo non centro con la discussione.... Quindi il preriscaldatore serve per ottimizzare l'utilizzo del vapore scaldando risparmiando? Cosa che è anche congruente con l'epoca in cui sono stati creati e messi sulle macchine.... -
da patuzmn » 5 gen 2012, 22:10
grande!! ora ho capito il discorso dell'iniettore!!!
devo dire che mi mancano certe basi fondamentali per capire certe cose
tra l'altro a proposito di surriscaldatori c'è anche il sito di stagni
http://www.miol.it/stagniweb/fs103vap.htm
in cui tra l'altro si dice
il surriscaldamento del vapore. E' infatti noto che la temperatura e la pressione di un fluido sono legate fra loro: di conseguenza, [b]data la pressione, non è possibile alzare ulteriormente la temperatura del vapore saturo, cioè del fluido "bifase" costituito da acqua e vapore, che è appunto presente in caldaia.[/b]
Se però, anziché portare direttamente ai cilindri il vapore prelevato dal duomo, 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. Il surriscaldatore, costituito da quei condotti, permette dunque di far crescere la temperatura del vapore dai 200°C del punto di saturazione a oltre 300°C (per caldaie a 12 bar), rendendo disponibile una maggiore quantità di energia per il motore, senza gli oneri costruttivi legati a un aumento della pressione; anche il rendimento termodinamico migliora, data la maggiore differenza tra le temperature estreme del ciclo di lavoro.
in pratica in caldaia la temperatura non può aumentare perchè con essa aumenta la pressione, ma la pressione, massimo che arriva, arriva a 12 bar, e quindi la temperatura non supera quella corrispondente ai 12 bar.
però se faccio passare il vapore senza acqua nel surriscaldatore questo può aumentare di temperatura senza aumentare di pressione? perchè?
e infine, cosa me ne faccio io di gettare nello stantuffo vapore a 200° piuttosto che a 300° se questo aumento di temperatura non comporta un aumento di pressione (che alla fine è l'energia che fa muovere la macchina)?
insomma per intenderci: io posso avere anche 10000000000000000000 di gradi, ma se questi non si trasformano in pressione... io la macchina non la muovo
quale principio fondamentale mi sono perso?
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da renzo428 » 6 gen 2012, 0:59
Ciao a tutti,
bravo Antonio, hai fatto una domanda interessante.
Da quello che chiedi non hai molta pratica con la termodinamica quindi vediamo di usarla il meno possibile per rispondere alle tue domande.
Intanto pressione volume e temperatura sono in relazione con la relazione che nella forma più semplice è l'equazione di stato dei gas perfetti:
P V = nRT
dove P è la pressione, V è il volume e T la temperatura (nR non è importante per questa discussione).
Quindi la risposta alla tua domanda: come faccio ad aumentare la temperatura senza aumentare la pressione sta nella relazione sopra ovvero aumenta il volume.
In pratica il calore in più, fa aumentare il volume del vapore e quindi se ne entrano n litri nei tubi del surriscaldatore, ne escono n + nR(T2-T1) dove t2-t1 è l'incremento di temperatura del vapore nel surriscaldatore.
Per rispondere alla seconda domanda lasciamo perdere l'equazioni e vediamolo in modo qualitativo.
In una locomotiva a semplice espansione (cioè produco vapore e lo immetto nei cilindri) ho quattro fasi di funzionamento:
1 fase di introduzione
2 fase di espansione
3 fase di compressione
4 fase di scarico
quando introduco il vapore, la pressione sposta il cilindro (fase 1) in funzione del grado di introduzione (il reverser di TS) ovvero quando devo partire sfrutto la pressione e tengo aperto a lungo la luce di introduzione e il lavoro sul pistone lo faccio fare alla pressione.
Quando sono in moto e devo mantenere la velocità, diminuisco il grado di introduzione e il lavoro lo faccio fare alla espansione del vapore (aumento il volume a spese della temperatura e della pressione). Uso quindi la fase 2.
Le fasi 3 e 4 sono quelle subito successive che non producono lavoro ma, al contrario ne "rubano" un po' da quello prodotto dalla parte opposta del pistone dove lavorano in quel momento le fasi 1 e 2.
Fin qui tutto bene, ma il surriscaldamento a cosa serve?
Se il complesso pistone-cilindro-cassetto, che prende il nome di motore, fosse di materiale isolante e il vapore fosse un gas perfetto, non servirebbe a molto.
Ma il motore è di acciaio e il vapore è un vapore (come dice il nome) e non un gas, quindi ha la pessima abitudine di condensare.
Quando il vapore entra nel motore cede calore al pistone e parte di questo condensa.
Se condensa ho diversi problemi, intanto non fa lavoro perché non si espande (un liquido varia poco il volume in funzione della temperatura) e se rimane nei cilindri, può danneggiare le guarnizioni proprio perché incomprimibile (ecco perchè si usano i cylinder cocks di TS o le valvole Del Papa, che fanno uscire l'acqua dai cilindri).
Infine, parte del calore viene reso alla massa vapore + liquido in fase di compressione e parte di questo trasforma il liquido in vapore andando a "rubare" lavoro come visto prima.
Se riuscissi ad aumentare la temperatura del vapore quel tanto che basta in modo che anche durante la fase di espansione, il vapore non condensi, miglioro notevolmente le prestazioni del motore (intorno al 20%). Il surriscaldatore fa semplicemente questo.
Infine, ma solo per amore della pignoleria, non puoi scaldare il vapore oltre i 350 gradi perché in una locomotiva vige un equilibrio termico dinamico. Il vapore appena formato attorno ai tubi bollitori, ha la temperatura di 100 gradi. Se aumenta, trasferisce calore all'acqua formando altro vapore, se diminuisce torna ad essere acqua (nel senso di liquida!). Questo stato di equilibro dinamico si chiama vapore saturo: il numero di particelle che dalla fase liquida passano alla fase gassosa è uguale al numero di quelle che si condensano nel liquido.
Il vapore surriscaldato, acquista calore nel passare nella serpentina e aumenta la sua temperatura. Se rimanesse a lungo potrei aumentare la temperatura maggiormente ma dato che lo uso per far "andare" il motore, il tempo che ha a disposizione per acquisire calore è breve e il risultato è la temperatura di, circa, 350 gradi C.
Si potrebbe pensare: ma se raddoppio la lunghezza del tubo della serpentina, raddoppierei il tempo di transito e l'innalzamento della temperatura?
Purtroppo no. Prima di tutto non puoi superare la temperatura del forno che è di 800 gradi circa.
L'innalzamento della temperatura ha l'andamento di un logaritmo, per cui se per portare il vapore da 100 gradi a 200 ti basta un minuto, per portarlo a 300 non basta un minuto ma ce ne vogliono tre e per raggiugere i 400 ne servono venti (sono numeri a caso ma è per rendere l'idea).
Un caro saluto, ernzo. -
da patuzmn » 6 gen 2012, 12:07
wow interessante!
dunque io devo sempre tenere presente la formula [b]P V=nRT [/b]
e devo considerare che il motore viene mosso tramite
[b]espansione del vapore/b]
oppure attraverso
[b]pressione del vapore[/b] soprattutto in fase di spunto, quando la luce del distributore è più ampia
nel cassetto la temperatura è minore, dunque mento T= meno pressione e meno volume
dunque devo fare in modo di alzare la temperatura abbastanza per poter evitare la condensazione del cilindro, ma non posso aumentare la temperatura in caldaia perchè aumenterebbe la pressione (non più quindi di 12bar).
devo aumentare la temperatura nel surriscaldatore dove, non a contatto con il liquido, il vapore, aumentando la temperatura, aumenta il proprio volume a discapito della pressione (in pratica nel surriscaldatore il vapore si espande e si "disperde", mentre in caldaia aumenterebbe la pressione cnotro le pareti).
entrando nel cilindro lo spazio è di nuovo costretto, e il volume diminuisce (diminuisce a causa del minor spazio a disposizione) per un aumento della pressione, che è quella che serve nel cilindro
dunque se quello che ho capito io è giusto mi sorge una ulteriore domanda:
nel surriscaldatore non si deve tenere a bada la pressione, quanto piuttosto il volume giusto?