Istoria motorului cu abur

Istoria motorului cu abur

.

Prima masina cu aburi a fost inventata in secolul I e. n. de catre inginerul grec Heron din Alexandria. O sfera goala pe dinauntru era pivotata pe doua tuburi prin care treceau aburii dintr-un mic fierbator. Aburii umpleau sfera si ieseau prin tevi dispuse in parti opuse ale acesteia. Jeturile de aburi care tasneau determinau sfera sa se roteasca. Totusi, in ciuda faptului ca era o inventie interesanta, masina nu servea unui scop util. (Fig.1)

Prima masina cu aburi cu utilitate parctica a fost inventata in 1698 de un inginer englez pe nume Thomas Savery. Aburul dintr-o camera era racit pana se condensa si forma o cantitate mica de apa. Reducerea mare a volumului producea un vid partial, care era folosit pentru a absorbi apa din minele de carbuni.

Fig. 1

Forta pistonului

La masina inventata de inginerul englez Thomas Newcomen, in jurul anului 1710, aburii impingeau un piston in sus printr-un cilindru. Apoi cilindrul era racit pentru a condensa aburii, si pistonul era tras in jos. Condensarea aburilor reducea presiunea din cilindru, astfel incat presiunea atmosferica era suficienta pentru a impinge pistonul in jos. Din acest motiv, Newcomen isi numea masina cu aburi atosferica'. Ea era folosita pentru a pune in functiune pompe de mina. Desi s-a dovedit mult mai eficienta decat sistemul lui Savery, masina lui Newcomen era extrem de inceata si ineficace. Aceasta pentru ca dupa racire cilindrul trebuia incalzit pentru a produce din nou aburii necesari care sa impinga pistonul in sus. Altfel aburii s-ar fi condensat instantaneu.

Cel care a rezolvat aceasta problema a fost inginerul scotian James Watt. La masina sa inventata in 1769, aburii treceau intr-o camera separata pentru condensare. Deoarece cilindrul nu era incalzit si racit alternativ, pierderile de caldura ale masinii erau relativ scazute. De asemenea, masina lui Watt era mai rapida, pentru ca se puteau admite mai multi aburi in cilindru odata ce pistonul se intorcea in pozi¬tia initiala. Aceasta si alte imbunatatiri conce¬pute de Watt au facut ca masina cu aburi sa poata fi folosita intr-o gama larga de aplicatii.
In perioada victoriana, locomotive cu aburi puternice revolutionasera deja calatoria pe us¬cat. Masinile cu aburi au facut posibile si tipa¬rirea ziarelor, torsul si tesutul textilelor si actio¬narea masinilor de spalat in „spalatoriile cu aburi”. Masinile cu aburi puneau in miscare caruselele, iar unii fermieri foloseau energia de abur pentru a ara pamantul. Antreprenorii de curatatorii aveau aspiratoare cu aburi, si la cele mai bune frizerii din orase existau chiar si perii pentru masarea capului actionate de aburi.

Miscarea rotativa

Majoritatea primelor masini cu aburi produ¬ceau o miscare alternativa (de 'du-te-vino') prin intermediul pistoanelor care se deplasau in cilindri. Aceasta miscare a putut apoi sa fie transformata in miscare rotativa prin mijloace mecanice.
Turbinele cu aburi produc miscarea rotativa nemijlocit prin forta aburilor. Mai multi inven¬tatori au experimentat cu turbine cu aburi in anii 1800, insa abia in anul 1884 a aparut un model eficient si manevrabil, inventat de ingine¬rul englez Charles Parsons. La cativa ani de la inventie turbinele Parsons erau folosite la pro¬pulsarea vaselor si actionarea generatoarelor.

Transformarea energiei

Masinile cu aburi si turbinele transforma caldu¬ra in energie. La ambele caldura produsa de combustibil este folosita la fierberea apei, obtinandu-se un volum de aburi de 1.600 de ori mai mare, iar aburii comprimati provoaca miscare. La motoarele cu piston, aburii se dilata intr-un cilindru, impingand un piston. La turbinele cu aburi, aburii care se dilata actioneaza rotoare. In ambele cazuri, aburii pierd energie termica.
Masinile cu aburi si turbinele sunt exemple de motoare cu ardere externa, deoarece caldura se aplica in afara sectorului de lucru, de obicei prin combustie - arderea combustibililor. Aburii sunt creati in fierbatoare prin arderea petrolului sau a carbunilor. In centralele nucleare caldura este produsa prin reactii nucleare.

Dubla actiune

La o masina cu aburi simpla presiunea aburilor este exercitata asupra unui capat al cilindrului pentru a-l pune in miscare. Insa la majoritatea masinilor cu aburi, ambele capete ale pistonu¬lui sunt folosite pentru a produce forta meca¬nica. Aburii sunt intai admisi la un capat al pistonului, impingandu-l inainte. Apoi ei sunt admisi la celalalt capat al pistonului, impin¬gandu-l din nou inapoi. De aceea asemenea motoare se spune ca sunt cu dubla actiune.
Sirul de procese incepe atunci cand aburii sunt admisi la un capat al cilindrului printr-un canal de admisiune. Apoi canalul de admisiune se inchide, iar aburii se dilata impingand pistonul in jos prin cilindru. Dupa aceea aburii sunt admisi la celalalt capat al pistonu¬lui, impingandu-l inapoi prin cilindru. Aburii din primul capat ies printr-un canal de evacua¬re. Aburii sunt admisi alternativ la fiecare ca¬pat al pistonului, iar celalalt capat este conec¬tat automat la canalul sau teava de evacuare.
La majoritatea masinilor cu aburi pentru fie¬care piston intregul proces este controlat de o singura supapa in forma literei D. Aceasta alu¬neca inainte si inapoi pentru a face legaturile cu canalele de admisiune si de evacuare a abu¬rilor. Unele masini mai mari cu aburi au supa¬pe separate pentru fiecare capat al pistonului.

Manivele

Miscarea de 'du-te-vino' a pistonului este transformata in miscare rotativa prin interme¬diul unei biele de racordare si al unei manivele. Manivela este un brat atasat la un volant greu, iar biela de racordare face legatura intre manivela si piston, sau o biela atasata la un piston. Pe masura ce pistonul se deplaseaza inainte si inapoi, manivela se invarte si volan¬tul uniformizeaza forta de rasucire produsa.
Cand aburii dintr-un cilindru se dilata, temperatura lor scade. Un efect similar putem observa la folosirea unei cutii cu aerosol. Dilatarea gazului propulsor face vaporizatorul sa fie rece la atingere. La o masina elementara cu aburi cu dubla actiune, dilatarea aburilor determina racirea acelui capat al cilindrului unde urmeaza sa fie admisi aburi noi.
Daca aburii sufera o dilatare mare, racirea produsa determina pierderi excesive de caldu¬ra in masina. Aceste pierderi pot fi compen¬sate arzandu-se mai mult combustibil, insa aceasta reduce eficacitatea masinii. Schim¬barea de temperatura poate fi redusa prin limi¬tarea presiunii vaporilor admisi in cilindru, ast¬fel incat sa aiba loc o dilatare mai redusa, insa acest lucru reduce puterea masinii.

Masini cu excitatie mixta

Problema poate fi rezolvata permitandu-se mai intai dilatarea partiala a aburilor intr-un cilindru mic, de mare presiune. Aburii evacu¬ati din acesta sunt apoi trecuti intr-un cilindru mai mare, de presiune scazuta, unde continua dilatarea. Masinile cu aburi care folosesc doi sau mai multi cilindri in acest fel se numesc masini cu excitatie mixta.
Motoarele cu tripla expansiune sunt masini cu excitatie mixta cu cilindri de mare presiune, de presiune medie si de presiune scazuta. Astfel de motoare au fost foarte mult folosite la vase, si unele nave germane aveau motoare cu o a patra faza de expansiune.

Masini cu aburi in echicurent

Masinile cu aburi in echicurent sunt concepute pentru a reduce pierderile de caldura, redu¬cand schimbarile de temperatura in cilindru. Aburii admisi la capetele cilindrului se dilata si sunt evacuati printr-un inel de canale de evacu¬are aflat la mijloc. Astfel cilindrul ramane rela¬tiv fierbinte la capete si mai rece la mijloc, unde se afla in contact cu aburii dilatati. Cilindrul nu este supus la schimbari mari de temperatura, astfel pierderile de caldura sunt minime.