L’energia a vapore è stata la forza trainante di gran parte della rivoluzione industriale nel Regno Unito e negli Stati Uniti. Portò il giro del mondo in ottanta giorni alla portata del piroscafo commerciale e dei passeggeri su rotaia verso la fine del 1800, guidando l’espansione del trasporto e dell’industrializzazione in molte parti del mondo.

Capire
Mentre pellegrinaggi e viaggi educativi come il Grand Tour sono stati istituiti prima dell’Era di Steam, erano i veicoli a vapore che rendevano il viaggio un piacere e rendevano possibile il turismo ricreativo, permettendo alle persone comuni di visitare le città e le località vicine, la classe media da attraversare il continente e il più ricco per viaggiare in tutto il mondo. I Grand Old Hotels di solito tracciano la loro storia fino all’età di Steam.

La maggior parte dei motori a vapore alternativi fu soppiantata da motori a combustione interna o motori elettrici durante il XX secolo, specialmente nei decenni successivi alla seconda guerra mondiale. Il numero di treni a vapore è calato precipitosamente, a causa sia della diffusa dieselizzazione che dell’elettrificazione del servizio ferroviario esistente e della sostituzione dei viaggi in treno con i viaggi in autostrada. Le turbine a vapore rimangono di uso comune per alcune applicazioni, come la generazione di energia elettrica. Le locomotive a vapore erano detenute in riserva anche nei paesi occidentali per molto tempo a causa della loro capacità di funzionare praticamente con qualsiasi carburante, ma molte di queste sono state vendute agli entusiasti o demolite negli anni 2000 e 2010.

Motore a vapore
Primi esperimenti
Il primo “motore” rudimentale registrato a vapore era l’eolipile descritto da Hero of Alexandria, un matematico e ingegnere dell’Egitto romano nel I secolo d.C. Nei secoli successivi, i pochi “motori” a vapore conosciuti erano, come gli eolipili, dispositivi essenzialmente sperimentali usati dagli inventori per dimostrare le proprietà del vapore. Un rudimentale dispositivo a turbina a vapore fu descritto da Taqi al-Din nell’Egitto ottomano nel 1551 e da Giovanni Branca in Italia nel 1629. Jerónimo de Ayanz y Beaumont ricevette brevetti nel 1606 per 50 invenzioni alimentate a vapore, compresa una pompa d’acqua per drenare miniere inondate. Denis Papin, un rifugiato ugonotto, fece un lavoro utile sul digestore di vapore nel 1679 e per prima cosa utilizzò un pistone per sollevare pesi nel 1690.

Motori di pompaggio
Il primo dispositivo commerciale a vapore era una pompa idraulica, sviluppata nel 1698 da Thomas Savery. Usava il vapore condensato per creare un vuoto che sollevava l’acqua dal basso e poi usava la pressione del vapore per alzarla più in alto. I piccoli motori erano efficaci anche se i modelli più grandi erano problematici. Avevano un’altezza di sollevamento limitata ed erano inclini a esplosioni di caldaie. Il motore di Savery veniva usato nelle miniere, nelle stazioni di pompaggio e nella fornitura di acqua alle ruote idrauliche che alimentavano le macchine tessili. Il motore Savery era a basso costo. Bento de Moura Il Portogallo introdusse un miglioramento della costruzione di Savery “per renderlo capace di funzionare da solo”, come descritto da John Smeaton nelle Transazioni filosofiche pubblicato nel 1751. Continuò ad essere prodotto fino alla fine del XVIII secolo. Un motore era ancora noto per essere operativo nel 1820.

Motori a vapore a pistone
Il primo motore di successo commerciale in grado di trasmettere potenza continua a una macchina, fu il motore atmosferico, inventato da Thomas Newcomen intorno al 1712. Migliorò la pompa a vapore di Savery, usando un pistone come proposto da Papin. Il motore di Newcomen era relativamente inefficiente e principalmente usato per pompare acqua. Ha funzionato creando un vuoto parziale condensando vapore sotto un pistone all’interno di un cilindro. È stato impiegato per drenare le operazioni minerarie a profondità fino ad ora impossibili, e per fornire acqua riutilizzabile per la conduzione di ruote idrauliche in fabbriche situate lontano da una “testa” adatta. L’acqua che è passata sopra la ruota è stata pompata in un serbatoio di riserva sopra la ruota.

Nel 1720 Jacob Leupold descrisse un motore a vapore ad alta pressione a due cilindri. L’invenzione è stata pubblicata nella sua opera principale “Theatri Machinarum Hydraulicarum”. Il motore utilizzava due pistoni pesanti per fornire movimento a una pompa dell’acqua. Ogni pistone fu sollevato dalla pressione del vapore e tornò alla sua posizione originale per gravità. I due pistoni condividevano una valvola rotativa comune a quattro vie collegata direttamente a una caldaia a vapore.

Il successivo passo importante si è verificato quando James Watt ha sviluppato (1763-1775) una versione migliorata del motore di Newcomen, con un condensatore separato. I primi motori di Boulton e Watt usavano la metà del carbone della versione migliorata di Newcomen di John Smeaton. I primi motori di Newcomen e Watt erano “atmosferici”. Erano alimentati dalla pressione dell’aria che spingeva un pistone nel vuoto parziale generato dal vapore di condensazione, invece della pressione del vapore in espansione. I cilindri del motore dovevano essere grandi perché l’unica forza utilizzabile che agiva su di essi era la pressione atmosferica.

Watt sviluppò ulteriormente il suo motore, modificandolo per fornire un movimento rotatorio adatto alla guida di macchinari. Ciò ha consentito alle fabbriche di essere situate lontano dai fiumi e ha accelerato il ritmo della rivoluzione industriale.

Motori ad alta pressione
Il significato di alta pressione, insieme con un valore effettivo superiore all’ambiente, dipende dall’era in cui è stato usato il termine. Per l’uso iniziale del termine Van Reimsdijk si intende che il vapore è ad una pressione sufficientemente alta da poter essere scaricato nell’atmosfera senza fare affidamento sul vuoto per consentirgli di svolgere un lavoro utile. Ewing 1894, p. 22 afferma che i motori a condensazione di Watt erano noti, all’epoca, come a bassa pressione rispetto ai motori ad alta pressione e senza condensazione dello stesso periodo.

Il brevetto di Watt ha impedito ad altri di produrre motori ad alta pressione e composti. Poco dopo la scadenza del brevetto di Watt nel 1800, Richard Trevithick e, separatamente, Oliver Evans nel 1801 introdussero motori utilizzando il vapore ad alta pressione; Trevithick ottenne il brevetto per il motore ad alta pressione nel 1802, e prima di allora Evans aveva realizzato diversi modelli funzionanti. Questi erano molto più potenti per una data misura del cilindro rispetto ai motori precedenti e potevano essere resi abbastanza piccoli per le applicazioni di trasporto. Successivamente, gli sviluppi tecnologici e i miglioramenti delle tecniche di produzione (in parte determinati dall’adozione del motore a vapore come fonte di energia) hanno portato alla progettazione di motori più efficienti che potrebbero essere più piccoli, più veloci o più potenti, a seconda dell’applicazione prevista.

Il motore della Cornovaglia fu sviluppato da Trevithick e altri nel 1810. Era un motore a ciclo composto che utilizzava il vapore ad alta pressione in modo espansivo, quindi condensava il vapore a bassa pressione, rendendolo relativamente efficiente. Il motore della Cornovaglia presentava movimenti e coppie irregolari durante il ciclo, limitandosi principalmente al pompaggio. I motori della Cornovaglia furono usati nelle miniere e per l’approvvigionamento idrico fino alla fine del XIX secolo.

Motore fisso orizzontale
I primi costruttori di motori a vapore fissi ritenevano che i cilindri orizzontali fossero soggetti a un’usura eccessiva. I loro motori erano quindi disposti con l’asse del pistone in posizione verticale. Col tempo, la disposizione orizzontale divenne più popolare, consentendo di installare motori compatti ma potenti in spazi più piccoli.

L’acme del motore orizzontale era il motore a vapore Corliss, brevettato nel 1849, che era un motore a controcorrente a quattro valvole con ammissione di vapore separata e valvole di scarico e taglio automatico variabile del vapore. Quando a Corliss è stata assegnata la medaglia di Rumford, il comitato ha affermato che “nessuna invenzione dopo i tempi di Watt ha così migliorato l’efficienza del motore a vapore”. Oltre a utilizzare il 30% di vapore in meno, ha fornito una velocità più uniforme a causa del taglio del vapore variabile, rendendolo adatto alla produzione, in particolare alla filatura del cotone.

Veicoli stradali
I primi veicoli sperimentali alimentati a vapore furono costruiti nel tardo XVIII secolo, ma fu solo dopo che Richard Trevithick aveva sviluppato l’uso del vapore ad alta pressione, intorno al 1800, che i motori a vapore mobili divennero una proposta pratica. La prima metà del 19 ° secolo ha visto grandi progressi nella progettazione di veicoli a vapore, e negli anni ’50 del secolo stava diventando redditizia per produrli su base commerciale. Questo progresso è stato attenuato da una legislazione che limitava o proibiva l’uso di veicoli a vapore sulle strade. I miglioramenti nella tecnologia dei veicoli sono continuati dagli anni ’60 del 1800 agli anni ’20. I veicoli a vapore sono stati utilizzati per molte applicazioni. Nel XX secolo, il rapido sviluppo della tecnologia dei motori a combustione interna ha portato alla scomparsa del motore a vapore come fonte di propulsione dei veicoli su base commerciale, con relativamente pochi rimasti in uso oltre la seconda guerra mondiale. Molti di questi veicoli sono stati acquistati da appassionati per la conservazione, e numerosi esempi sono ancora in esistenza. Negli anni ’60 i problemi di inquinamento atmosferico in California diedero origine a un breve periodo di interesse per lo sviluppo e lo studio di veicoli a vapore come possibile mezzo per ridurre l’inquinamento. A parte l’interesse degli appassionati di vapore, l’occasionale veicolo replica e la tecnologia sperimentale attualmente non sono in produzione veicoli a vapore. Negli anni ’60 i problemi di inquinamento atmosferico in California diedero origine a un breve periodo di interesse per lo sviluppo e lo studio di veicoli a vapore come possibile mezzo per ridurre l’inquinamento. A parte l’interesse degli appassionati di vapore, l’occasionale veicolo replica e la tecnologia sperimentale attualmente non sono in produzione veicoli a vapore. Negli anni ’60 i problemi di inquinamento atmosferico in California diedero origine a un breve periodo di interesse per lo sviluppo e lo studio di veicoli a vapore come possibile mezzo per ridurre l’inquinamento. A parte l’interesse degli appassionati di vapore, l’occasionale veicolo replica e la tecnologia sperimentale attualmente non sono in produzione veicoli a vapore.

Motori marini
Verso la fine del diciannovesimo secolo i motori composti vennero diffusi. I motori composti hanno scaricato vapore in cilindri successivamente più grandi per accogliere i volumi più elevati a pressioni ridotte, migliorando l’efficienza. Queste fasi erano chiamate espansioni, con motori a doppia e tripla espansione, in particolare nelle spedizioni, dove l’efficienza era importante per ridurre il peso del carbone trasportato. I motori a vapore rimasero la principale fonte di energia fino all’inizio del 20 ° secolo, quando i progressi nella progettazione della turbina a vapore, dei motori elettrici e dei motori a combustione interna portarono gradualmente alla sostituzione dei motori a vapore alternativi (a pistone), con spedizione nel XX secolo basandosi sulla turbina a vapore.

Locomotive a vapore
Con lo sviluppo delle macchine a vapore nel XVIII secolo, vari tentativi furono fatti per applicarli all’uso stradale e ferroviario. Nel 1784, William Murdoch, un inventore scozzese, costruì un prototipo di locomotiva a vapore. Un modello funzionante di una locomotiva a vapore fu progettato e costruito dal pioniere di steamboat John Fitch negli Stati Uniti, probabilmente durante il 1780 o il 1790. La sua locomotiva a vapore utilizzava ruote a pale interne guidate da binari o binari.

La prima locomotiva a vapore funzionante su grande scala fu costruita da Richard Trevithick nel Regno Unito e, il 21 febbraio 1804, il primo viaggio ferroviario del mondo ebbe luogo quando la locomotiva a vapore senza nome di Trevithick trainò un treno lungo il tram dal Pen-y-darren ferriere, nei pressi di Merthyr Tydfil ad Abercynon nel sud del Galles. Il design ha incorporato una serie di importanti innovazioni che includevano l’uso di vapore ad alta pressione che riduceva il peso del motore e ne aumentava l’efficienza. Trevithick visitò la zona di Newcastle più tardi nel 1804 e le ferrovie per la miniera di carbone nel nord-est dell’Inghilterra divennero il principale centro per la sperimentazione e lo sviluppo di locomotive a vapore.

Trevithick continuò i suoi esperimenti usando un trio di locomotive, concludendo con Catch Me Who Can nel 1808. Solo quattro anni più tardi, la fortunata locomotiva a due cilindri Salamanca di Matthew Murray fu utilizzata dalla cremagliera e pignone ferroviario Middleton Railway. Nel 1825 George Stephenson costruì la Locomozione per la Stockton and Darlington Railway. Questa fu la prima ferrovia a vapore pubblica nel mondo e poi nel 1829, costruì The Rocket, che entrò e vinse il Rainhill Trials. La Ferrovia di Liverpool e Manchester ha aperto nel 1830 facendo uso esclusivo di energia a vapore per i treni passeggeri e merci.

Le locomotive a vapore hanno continuato a essere fabbricate fino alla fine del XX secolo in luoghi come la Cina e l’ex Germania dell’Est (dove è stata prodotta la Classe DR 52.80).

Turbine a vapore
L’ultima importante evoluzione del progetto del motore a vapore fu l’uso di turbine a vapore a partire dalla fine del 19 ° secolo. Le turbine a vapore sono generalmente più efficienti rispetto ai motori a vapore a pistone alternativo (per le uscite superiori a diverse centinaia di cavalli), hanno meno parti mobili e forniscono potenza di rotazione direttamente anziché tramite un sistema di bielle o mezzi simili. Le turbine a vapore hanno praticamente sostituito i motori alternativi nelle stazioni di generazione elettrica all’inizio del 20 ° secolo, dove la loro efficienza, la maggiore velocità adeguata al servizio del generatore e la rotazione regolare erano vantaggi. Oggi la maggior parte dell’energia elettrica è fornita da turbine a vapore. Negli Stati Uniti il ​​90% dell’energia elettrica viene prodotta in questo modo utilizzando una varietà di fonti di calore.

Sviluppo attuale
Sebbene il motore a vapore alternativo non sia più in uso commerciale diffuso, varie società stanno esplorando o sfruttando il potenziale del motore come alternativa ai motori a combustione interna. La società Energiprojekt AB in Svezia ha compiuto progressi nell’uso di materiali moderni per sfruttare la potenza del vapore. L’efficienza del motore a vapore di Energiprojekt raggiunge circa il 27-30% sui motori ad alta pressione. È un motore a 5 cilindri monofase (senza mescola) con vapore surriscaldato e consuma ca. 4 kg (8,8 libbre) di vapore per kWh.

Ferrovie a
vapore Mentre il vapore è visto con nostalgia o addirittura nostalgia dei “bei vecchi tempi” in luoghi in cui l’ultimo servizio a vapore è avvenuto qualche decennio fa, molte economie in via di sviluppo o emergenti vedono l’esistenza di qualsiasi locomotiva a vapore come “indietro” e imbarazzante . La Germania Ovest ha subito un divieto totale di vapore sulla linea principale dopo che le ultime locomotive a vapore ufficiali sono state ritirate. Atteggiamenti simili prevalgono oggi in alcuni paesi. Detto questo, su linee marginali o altrimenti abbandonate, il vapore è ancora frequentemente visibile e talvolta c’è anche un supplemento sui biglietti quando le locomotive a vapore operano rispetto ai treni diesel “normali”.

Vapori, navi e imbarcazioni
Prima dell’adozione diffusa dei viaggi aerei commerciali nell’era successiva alla seconda guerra mondiale, i potenti mari del mare solcavano i mari. Le navi Royal Mail dell’era Titanic RMS, in competizione per trasportare i milionari del giorno, hanno gareggiato in modo aggressivo sia sulla velocità che sul lusso.

Sui fiumi interni come il Mississippi, il caratteristico vaporetto a ruota a pale era una volta una vista comune. Alcuni operano ancora come restauri storici o come repliche, imitazioni di varia accuratezza.

Canada
RMS Segwun, Gravenhurst è una nave a vapore restaurata pienamente operativa. Costruita nel 1887, inizialmente trasportava i vacanzieri nei cottage Muskoka e consegnava merci e posta.
PS Trillium, Toronto, è un piroscafo a ruota laterale che funge da traghetto per le isole di Toronto dal 1910 al 1957. Fu ripristinata e tornò in servizio nel sistema dei traghetti dell’isola di Toronto nel 1976.

Inghilterra
Un piccolo numero di piccole imbarcazioni a vapore continua a funzionare su Windermere nel Lake District inglese.

La nave a
vapore della Scozia Sir Walter Scott, il molo di Trossachs, Loch Katrine, da Callander, Stirling.
PS Waverley è l’ultimo piroscafo a vela al mondo. Costruito nel 1946, ha navigato sul Firth of Clyde per molti anni. Dal momento del restauro, Waverley ha effettuato escursioni regolari durante l’estate. La maggior parte sta navigando dal Clyde, ma ci sono anche alcuni viaggi sulla costa occidentale e sulle Ebridi della Scozia, così come sul canale di Bristol, sul Tamigi e sulla costa meridionale dell’Inghilterra.

Stati Uniti d’America
Belle di Louisville, Louisville, Kentucky è il più antico battello a vapore in stile fiume Mississippi e un punto di riferimento storico nazionale.
Ticonderoga, Shelburne (Vermont) è un piroscafo a pale che serviva da traghetto per il lago Champlain fino al 1969. Conservata e trasportata via terra al Museo Shelburne, è ora aperta per le visite.

Motori a vapore statici
Il primo utilizzo della forza a vapore per l’industria era il pompaggio (originario delle miniere), ma i grandi motori a vapore diventano in seguito la forza motrice per tutti i tipi di macchinari industriali, dai tessuti alle forniture d’acqua. Alcune città (tra cui Otaru Japan, Vancouver Canada e Saint Helier Jersey) pretendono di utilizzare un orologio a vapore – o un orologio che attiva un fischio a vapore – come punto di riferimento locale in qualche punto centrale del villaggio.

Canada
Pump House e Steam Museum, Kingston (Ontario), ex stazione municipale di pompaggio di acqua a vapore restaurata negli anni ’70

Inghilterra
Kew Bridge, museo del vapore.
Bolton Steam Museum.
Forncett Industrial Steam Museum, Forncett St Mary, Norfolk, Inghilterra NR16 1JJ, ☏ +44 1508 488277, ✉ [email protected].

L’Australia
Cockatoo Island a Sydney ospita una gru a vapore funzionante che era utilizzata per il carico di imbarcazioni.
Giostra a vapore, galoppatori ed equipaggiamento da fiera

Giostra a vapore olandese , Efteling.

Inghilterra
Carter’s è un luna park itinerante, con alcune delle attrezzature vintage (in particolare i suoi Gallopers) che funzionano a vapore. Funziona stagionalmente, in un programma di tour, quindi i luoghi variano.

Motori di trazione e macchine a vapore

Inghilterra
Hollycombe Steam Collection

Sicurezza
I motori a vapore possiedono caldaie e altri componenti che sono recipienti a pressione che contengono una grande quantità di energia potenziale. Fughe di vapore e esplosioni di caldaie (in genere BLEVE) possono e hanno causato in passato grandi perdite di vite umane. Sebbene possano esistere variazioni negli standard in diversi paesi, per garantire la sicurezza vengono applicati severi standard legali, test, formazione, assistenza con produzione, funzionamento e certificazione.

Le modalità di errore possono includere:

sovrapressurizzazione della caldaia
acqua insufficiente nella caldaia causando surriscaldamento e
accumulo di vaso guasto di sedimenti e incrostazioni che causano punti caldi locali, soprattutto in battelli fluviali che utilizzano il
serbatoio di pressione dell’acqua di alimentazione sporca guasto della caldaia a causa di costruzione o manutenzione inadeguata.
fuga di vapore dalle tubazioni / caldaia provocando scottature

I motori a vapore possiedono spesso due meccanismi indipendenti per garantire che la pressione nella caldaia non diventi troppo alta; uno può essere regolato dall’utente, il secondo è in genere progettato come un ultimo fail-safe. Tali valvole di sicurezza usavano tradizionalmente una semplice leva per trattenere una valvola a tappo nella parte superiore di una caldaia. Un’estremità della leva portava un peso o una molla che tratteneva la valvola contro la pressione del vapore. Le valvole anticipate potevano essere regolate dai conducenti del motore, causando numerosi incidenti quando un conducente ha allentato la valvola per consentire una maggiore pressione del vapore e una maggiore potenza dal motore. Il tipo più recente di valvola di sicurezza utilizza una valvola a molla regolabile, che è bloccata in modo tale che gli operatori non possano manomettere la sua regolazione a meno che un sigillo non sia illegalmente rotto. Questa disposizione è considerevolmente più sicura.

Nella corona del focolare della caldaia possono essere presenti dei tappi fusibili. Se il livello dell’acqua scende, in modo tale che la temperatura della corona del focolaio aumenta in modo significativo, il piombo si scioglie e il vapore fuoriesce, avvertendo gli operatori, che possono quindi sopprimere manualmente l’incendio. Tranne che nella più piccola delle caldaie, la fuga di vapore ha poco effetto sullo smorzamento del fuoco. Anche le prese sono troppo piccole per ridurre significativamente la pressione del vapore, depressurizzando la caldaia. Se fossero più grandi, il volume di vapore in fuga avrebbe di per sé mettere in pericolo l’equipaggio.