Introduzione
La rivoluzione industriale (circa 1760-1820) è stata alimentata dal carbone, ma potenziata dal vapore. Gli esseri umani hanno sfruttato la potenza del vapore per millenni, ma solo negli ultimi 200 anni abbiamo iniziato a fare affidamento su di esso per innumerevoli applicazioni industriali. Questo corso esamina le origini del vapore, la sua teoria (termodinamica), generazione e applicazioni.
Storia
L'uso del vapore risale a diverse migliaia di anni fa. Eroe di Alessandria creò una delle prime turbine a vapore nel I secolo, ma il concetto vide poca applicazione fino a molto più tardi nel 1800.
Eolipila (Motore di Eroe)
All'inizio della rivoluzione industriale, James Watt progettò un motore a pistoni alternati azionato dal vapore; il design era noto come motore a vapore. Il motore a vapore fu ampiamente adottato e divenne uno dei motori primari più iconici dell'epoca.
Disegno del Motore a Vapore di Boulton e Watt
Ma James Watt non fu l'unico a utilizzare la potenza del vapore per svolgere lavori utili. Altri ingegneri presto si resero conto che i motori a vapore potevano essere utilizzati per una vasta gamma di applicazioni. Alcune applicazioni includevano l'alimentazione di locomotive ferroviarie, trattori e navi.
Automobile a Vapore
All'incirca nello stesso periodo in cui le applicazioni del vapore stavano crescendo, rapidi progressi nell'ingegneria elettrica portarono a un aumento della domanda di motori primari che potessero essere utilizzati per generare la nuova meraviglia dell'epoca...l'elettricità!
Le turbine a vapore si rivelarono essere motori primari ideali per la nuova industria della generazione di energia. Oggi, oltre l'80% dell'elettricità mondiale è fornita da motori primari a turbina a vapore.
Quasi tutti i motori primari della rivoluzione industriale erano alimentati a vapore, e furono le caldaie a fornire quel vapore. Man mano che le applicazioni del vapore sono cresciute, così sono aumentate anche la quantità e le variazioni di design delle caldaie a vapore. I progressi nella tecnologia e nei materiali hanno permesso la realizzazione di motori primari sempre più grandi, il che ha portato a un corrispondente aumento delle dimensioni e della potenza delle caldaie a vapore.
Il vapore è utilizzato in quasi tutti i processi industriali moderni, sia direttamente nel processo, sia per servizi secondari come il riscaldamento dell'acqua, o il riscaldamento degli ambienti. La prossima lezione discute i principali usi del vapore.
Usi del Vapore
Il vapore è utilizzato per quattro scopi principali:
- Riscaldamento – circuito chiuso. Design semplice. Basse pressioni e temperature.
- Generazione di Energia – i design dei sistemi variano da semplici a sofisticati. Ampia gamma di pressioni e temperature. Può produrre quantità di vapore da medie a molto grandi.
- Processi Industriali – molto simili ai sistemi di vapore per la generazione di energia, sebbene possano esistere tolleranze molto più strette riguardo alla qualità del vapore. I sistemi di vapore sono spesso critici per il processo produttivo dell'impianto/fabbrica, cioè nessun vapore = nessuna produzione.
- Lavoro Meccanico – il vapore può -e viene- utilizzato per azionare pompe, compressori e altri elementi di macchinari che potrebbero non essere adatti per un azionamento elettrico, o di altro tipo.
È raro visitare un impianto industriale che non abbia una caldaia in loco. Sebbene gli usi del vapore siano numerosi, generalmente appartengono a una delle quattro categorie menzionate sopra.
Perché il Vapore?
La civiltà umana richiede energia per funzionare, molta. Senza energia, non sarebbe possibile pompare acqua nelle città, fornire elettricità alle case, guidare automobili o riscaldare edifici. Prima di essere utilizzata dai consumatori finali, tutta l'energia deve prima essere generata e trasportata al punto di utilizzo.
L'elettricità è un esempio di energia trasportata. Le centrali elettriche generano elettricità convertendo calore, pressione e/o energia cinetica in corrente elettrica. Convertire la fonte di energia originale in energia elettrica consente di trasportarla facilmente su grandi distanze fino al punto di utilizzo.
Il vapore può -e viene- utilizzato anche per trasportare energia, ma a differenza dell'elettricità, il vapore trasporta energia termica, ed è un fluido. Poiché il vapore è un fluido, e viene utilizzato per trasportare energia, è definito un fluido energetico.
Un fluido non ha una forma fissa e cede quando viene applicata una pressione esterna, cioè i fluidi scorrono facilmente. I fluidi possono essere un liquido o un gas.
Un fluido energetico è un fluido utilizzato per trasportare energia, solitamente sotto forma di calore (energia termica), pressione (energia di pressione) e/o velocità (energia cinetica).
Sebbene siano disponibili altri fluidi energetici, il vapore è considerato 'il fluido energetico' ed è di gran lunga il fluido energetico più comune in uso oggi. Le ragioni della popolarità del vapore sono strettamente legate alle proprietà dell'acqua da cui è prodotto. L'acqua è:
- Abbondante.
- Facilmente accessibile (dipendente dalla posizione geografica).
- Economica rispetto ad altri fluidi energetici.
- Non tossica.
- Facilmente trasportabile, cioè può essere pompata.
- Facilmente controllabile, cioè con valvole ecc.
Dopo che l'acqua è convertita in vapore, diventa un fluido energetico con molte proprietà vantaggiose:
- Una massa data di vapore può contenere cinque o sei volte più energia di una massa equivalente di acqua.
- Può essere generato in modo efficiente; molte caldaie operano con un'efficienza termica >80%.
- Può essere distribuito facilmente creando una differenza di pressione nel sistema di vapore.
- È non tossico e non danneggia l'ambiente.
- Non scintilla, non si accende, né si incendia (intrinsecamente sicuro).
- La quantità di energia all'interno del sistema può essere regolata facilmente regolando la pressione del vapore.
- Le proprietà di trasferimento del calore del vapore sono elevate.
Altri fluidi energetici sono solitamente utilizzati solo se certe variabili rendono indesiderabile l'uso del vapore. Ad esempio, gli oli termici (olio minerale) sono utilizzati per trasportare grandi volumi di calore a temperature molto elevate per le quali il vapore potrebbe non essere adatto. Per motivi di sicurezza, gli edifici sono spesso riscaldati tramite acqua calda ben al di sotto del suo punto di ebollizione; le pressioni e le temperature più basse pongono anche meno stress sulle tubazioni e sui componenti del sistema, il che conferisce loro una vita utile più lunga.
Il Sistema a Vapore
Lo scopo del vapore è trasportare energia da dove è generata a dove è richiesta, minimizzando le perdite di energia associate al trasporto. Per fare ciò, i sistemi a vapore consistono in quattro parti principali.
- Sistema di Combustibile – fornisce energia chimica alla caldaia (o alla turbina a combustione se viene utilizzato un generatore di vapore a recupero di calore (HRSG)).
- Caldaia – converte l'energia chimica del combustibile in energia termica.
- Distribuzione – trasporta il vapore al punto di utilizzo.
- Raccolta/Recupero – recupera il condensato (acqua) dal sistema di vapore e lo restituisce alla caldaia.
I sistemi menzionati sopra formano un ciclo di processo di base:
- Generazione
- Distribuzione
- Recupero
- Ripetizione
L'energia viene trasferita al vapore durante la generazione. Il vapore viene quindi distribuito al punto di utilizzo dove parte dell'energia viene trasferita dal vapore. La perdita di energia causa la condensazione di parte del vapore, che viene poi recuperato, trattato e restituito alla caldaia. L'intero processo è progettato in base al trasferimento di energia.
- Generazione – energia chimica del combustibile trasferita all'acqua. L'acqua della caldaia bolle poi evapora per formare vapore.
- Distribuzione – energia trasportata al punto di utilizzo.
- Recupero – parte del vapore cede energia al punto di utilizzo e condensa per formare acqua.
- Ripetizione – energia rimanente all'interno del condensato restituita alla caldaia.
Si noti che nelle centrali elettriche, un condensatore può essere utilizzato per trasformare il vapore di scarico di una turbina a vapore in condensato prima che venga restituito alla caldaia.
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Risorse Aggiuntive
https://en.wikipedia.org/wiki/Steam
https://www.tlv.com/global/ME/steam-theory/principal-applications-for-steam.html
https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/introduction/steam---the-energy-fluid
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Steam