Caldaia di una locomotiva a vapore

10 novembre 2022 Edited Caricamento... 3035 view(s) 5 min read

Storia della macchina a vapore

Le prime macchine a vapore erano stazionarie e funzionavano a bassa pressione. James Watt perfezionò il progetto di Newcomen introducendo un condensatore separato e sviluppò soluzioni più potenti ed efficienti, come le macchine a vapore portatili. Con il miglioramento della costruzione delle caldaie, soprattutto dopo l’introduzione della caldaia mobile, sperimentò il vapore a pressione più elevata, in grado di azionare direttamente il pistone, aprendo così la strada a macchine più compatte capaci di fornire la trazione alle locomotive. Lo stesso Watt ottenne nel 1794 un brevetto per una locomotiva a vapore.

Già prima dell’impiego della forza del vapore era noto che i cavalli potevano trainare carichi più pesanti su robuste rotaie in legno rispetto alle strade sconnesse. In alcuni luoghi queste rotaie erano già in uso, soprattutto nelle aree minerarie, e i cavalli furono presto sostituiti dalle nuove macchine a vapore. Le ferrovie, inizialmente sviluppate per facilitare il trasporto di materie prime e prodotti finiti, conquistarono inaspettatamente anche il pubblico come mezzo di trasporto passeggeri. Nel Regno Unito, nella prima metà del XIX secolo, le locomotive ferroviarie conobbero un rapido sviluppo: negli anni Trenta dell’Ottocento esistevano meno di 100 miglia di linee, mentre nel 1860 erano già oltre 10.000.

Nello stesso periodo furono realizzati numerosi veicoli stradali a vapore, come rulli compressori, locomobili e persino imbarcazioni a vapore. Tuttavia, questi altri veicoli stradali a vapore non raggiunsero mai la stessa popolarità della locomotiva a vapore.

Come funziona la caldaia di una locomotiva?

La struttura di base delle caldaie per locomotive rimase sostanzialmente invariata per tutta l’epoca della macchina a vapore, mentre modifiche progettuali ed elementi aggiuntivi ne aumentarono l’efficienza e migliorarono la sicurezza. Le caldaie per locomotive sono caldaie a tubi da fumo.

Gas caldi di combustione

Ciò significa che il fuoco genera gas caldi di combustione, che attraversano un sistema di tubi da fumo orizzontali della caldaia (da qui la definizione di asse orizzontale del corpo cilindrico) e cedono calore all’acqua circostante nel mantello della caldaia. Nella caldaia della locomotiva si produce vapore, che sale verso l’alto, dove una valvola di regolazione ne controlla il flusso verso i cilindri.

Vapore di scarico

Dopo aver compiuto lavoro sui pistoni, il vapore residuo di scarico passa nella camera a fumo e quindi attraverso il tubo di scarico. Il tubo di scarico espelle poi il vapore all’esterno. In questo modo si crea una depressione parziale che aspira aria attraverso il focolare e favorisce la combustione.

In origine, la caldaia a vapore della locomotiva era alimentata con combustibile solido, principalmente carbone, caricato manualmente con una pala nel focolare (o nella camera a fumo). In seguito furono introdotti sistemi di alimentazione automatica. L’alimentazione dell’acqua nella caldaia della locomotiva è garantita da iniettori che funzionano secondo il principio dell’immissione del vapore di scarico. Un getto di vapore viene spinto nell’acqua, generando una forza sufficiente per far entrare il vapore nella caldaia della locomotiva attraverso una valvola di regolazione unidirezionale.

Per la superficie del pavimento del focolare o della camera a fumo potete utilizzare il nostro massetto resistente al calore.

Tubi della caldaia

Le prime macchine a vapore funzionavano producendo vapore saturo, che si raccoglieva nella parte superiore della caldaia della locomotiva e veniva convogliato direttamente ai cilindri attraverso la tubazione principale del vapore.

In seguito, il progetto fu modificato in modo che questo vapore saturo venisse riscaldato nuovamente, eliminando l’acqua e aumentandone la temperatura. Questo processo è chiamato surriscaldamento.

Macchina a vapore con vapore surriscaldato

I surriscaldatori furono introdotti nei primi anni del Novecento e rappresentarono un cambiamento fondamentale per la macchina a vapore. Un surriscaldatore è composto da un collettore del surriscaldatore, una cupola del vapore, tubi degli elementi surriscaldatori e diversi altri tubi da fumo.

Il collettore del surriscaldatore riceve il vapore prodotto dalla tubazione principale del vapore, mentre i tubi supplementari convogliano il vapore attraverso i tubi degli elementi surriscaldatori per un ulteriore riscaldamento, aumentando la potenza del vapore surriscaldato prodotto. Il vapore surriscaldato ritorna quindi nella tubazione del vapore.

Gli ultimi treni a vapore furono ritirati dal servizio ordinario nel 1967, quando furono sostituiti dalla trazione diesel, ma il vapore non è certo scomparso. Migliaia di appassionati, molti dei quali volontari, continuano a sostenere, restaurare e gestire ferrovie storiche a vapore in tutto il Paese. Nel 2008 una locomotiva a vapore chiamata Tornado, costruita da zero con il supporto dell’A1 Steam Locomotive Trust, completò le prove e fu autorizzata a circolare sulla rete Network Rail. Sebbene fosse basata su un progetto degli anni Cinquanta, la caldaia della locomotiva doveva rispettare le moderne norme di sicurezza previste dalla direttiva UE sulle attrezzature a pressione. Nessun costruttore britannico fu ritenuto idoneo, perciò la caldaia fu costruita presso le officine Meiningen Steam Locomotive Works in Germania, diventate un centro per il restauro delle locomotive a vapore e sede, ogni settembre, di un festival dedicato alle macchine a vapore.

Vantaggi della caldaia per locomotiva

Uno dei vantaggi della caldaia per locomotiva è la sua economicità e l’elevata rapidità di produzione del vapore.

Svantaggi della caldaia per locomotiva

Uno dei principali svantaggi della caldaia per locomotiva è la necessità di mantenere una pressione di esercizio del vapore sicura, controllata tramite manometro, evitando al tempo stesso una pressione eccessiva nella caldaia, che provocherebbe l’apertura della valvola di sicurezza.

Quando la caldaia della locomotiva funziona ad alta potenza, particelle di combustibile solido bruciato possono essere espulse attraverso il tubo di scarico e il camino. Questo comporta il rischio di incendi lungo la linea ferroviaria.

Un altro svantaggio della caldaia per locomotiva, soprattutto nelle zone con acqua dura, è il problema della corrosione e della formazione di calcare.

Materiali refrattari utilizzati nella caldaia di una locomotiva

I materiali refrattari svolgono un ruolo fondamentale nella costruzione e nella manutenzione della caldaia di una locomotiva. Di seguito sono riportati alcuni materiali refrattari di cui potreste avere bisogno.

Arco refrattario del focolare

L’arco in mattoni refrattari si trova sopra il fuoco e serve a impedire alle particelle di combustibile bruciato di entrare direttamente nei tubi da fumo. Questo arco può essere realizzato con mattoni refrattari e malta refrattaria, oppure formato in opera con calcestruzzo refrattario. Talvolta l’arco viene colato in sezioni con calcestruzzo refrattario e successivamente assemblato con malta refrattaria.

Isolamento della caldaia della locomotiva

Per isolare la caldaia della locomotiva potete utilizzare una coperta in fibra ceramica, avvolgendola attorno al mantello della caldaia e poi coprendola con lamiere di rivestimento.