Storia della locomotiva a vapore (parte 2) – dalla doppia espansione alle locomotive a condensatore

Qualche settimana fa, nella puntata precedente, vi abbiamo raccontato della nascita di una delle più belle e importanti invenzioni di sempre. Se anche magari non vi dice niente oggi, sono sicuro che la locomotiva a vapore vi piaceva da bambini; e ad ogni modo, chissà cosa sarebbe stato il mondo se a nessuno fosse mai venuto in mente di costruire quello che era il più compatto fra i mezzi di trasporto a vapore.

Ci siamo lasciati più o meno ai primi del Novecento, con la comparsa del carrello Zara sulle prime locomotive del gruppo 625, ma abbiamo completamente trascurato la parte termodinamica del discorso, quindi è ora di rimediare. Non staremo qui a tediarvi rispiegandovi per l’ennesima volta come funziona una motrice alternativa a vapore. Ci limitiamo a dirvi cosa cambia dalla macchina di James Watt, che siamo sicuri abbiate studiato alle medie.

Dal punto di vista pratico una locomotiva detta a “semplice espansione”‘ monta due cilindri disposti orizzontalmente e messi in fase, in modo che i perni dei due sistemi biella-manovella formino un angolo di 90°. In questo modo i due pistoni non si trovano mai contemporaneamente a un punto morto. Come in un qualsiasi motore alternativo, deve essere presente una distribuzione che regoli l’ingresso e lo scarico del vapore prima e dopo la sua espansione. Esattamente come i motori endotermici che hanno diversi schemi (valvole laterali, aste-bilancieri, albero a camme in testa…), anche la distribuzione delle locomotive segue alcune tipologie che prendono il nome dai loro inventori.

Nel 1844 Egide Walschaerts, belga, brevettò l’omonima distribuzione che risulterà poi la più diffusa: una serie di bielle e manovelle sono collegate alle bielle “di trazione” della locomotiva, con lo scopo di azionare il cassetto (o pistone, in alcuni casi) di distribuzione situato sopra al cilindro; quest’ultimo funge da “valvola”. Fino agli anni Venti era lo stato dell’arte: preciso ed efficiente (se di efficienza si può parlare su veicoli con un rendimento energetico nell’ordine del 5%), il comando della distribuzione dipende rigidamente dalle posizioni del manovellismo e dalla sua geometria.

Come conseguenza, per buona parte della corsa le luci si trovano “parzializzate”, con l’effetto di produrre una laminazione del vapore, ovvero la dissipazione di parte dell’energia del vapore in pressione a causa dell’attrito. Che è esattamente quello che accade al gas refrigerante del vostro frigorifero, con la differenza che in quel caso è un effetto voluto.

Qui entra in gioco l’ing. Arturo Caprotti, laureatosi in ingegneria meccanica a 21 anni (my coglions). Gli venne in mente di sviluppare un sistema di distribuzione a camme ispirandosi ai nascenti motori endotermici, che semplificava il manovellismo eliminando le inerzie di varie parti; inoltre, definendo un’opportuna legge di moto della valvola per stabilire quando e quanto velocemente debba aprirsi e chiudersi e disegnando il profilo della camma di conseguenza, è possibile contenere il problema della laminazione. Meriterebbe un articolo a sé stante per tutto l’ingegno che c’è dietro (intanto, i più curiosi possono farsi un’idea qui). Ah, una volta ingegneria erano 5 anni, ciclo unico.

La distribuzione Caprotti venne brevettata solo nel 1916 e si diffuse negli anni ’20, spesso applicata aftermarket. Pertanto ebbe vita breve, visto che già allora circolavano le prime locomotive elettriche in corrente continua.

Ad ogni modo, quanto abbiamo detto, vale per una locomotiva a due cilindri a semplice espansione: ora che siamo diventati bravi, complichiamoci un po’ la vita. Vado a prendere gli appunti di Sistemi energetici.

Il funzionamento della locomotiva segue il cosiddetto “ciclo Rankine”, con diverse modifiche.

Nel ciclo Rankine esiste una caldaia che genera vapore, un motore (a pistoni o a turbina che sia) dove lo stesso si espande, condensa parzialmente e si raffredda, un condensatore che completa l’opera e una pompa che rimanda l’acqua in caldaia. Dimenticate anzitutto il pozzo caldo/degasatore e fate finta che la pompa sia una sola. Quest’ultima ha il duplice compito di rimandare l’acqua in caldaia e abbassare la pressione del condensatore; si dimostra che al diminuire della pressione di condensazione aumenta il rendimento del ciclo, tant’è che negli impianti a ciclo Rankine “tradizionali” è inferiore a quella atmosferica.

Perché non pompare direttamente in caldaia il vapore in uscita dal motore e quindi risparmiarsi una parte della fatica di riscaldarlo un’altra volta? Semplice: pompare un liquido è meno dispendioso di qualche ordine di grandezza dal punto di vista energetico che pompare un gas, tanto da rendere la presenza del condensatore conveniente.

Noi però abbiamo un problema: un condensatore in una locomotiva non ci entra neanche pregando (salvo eccezioni). Quindi, giocoforza il vapore “usato” finisce in atmosfera e in caldaia entra acqua a temperatura ambiente (si ha quindi un ciclo “aperto”), tant’è che le locomotive richiedono frequenti rifornimenti (ogni 2-300 km); in più in questa maniera il rendimento, sempre per usare il linguaggio tecnico della disciplina, va a puttane a farsi friggere.

Come determino questo rendimento? È il rapporto tra il calore effettivamente trasformato in energia meccanica (detto lavoro utile) e l’energia chimica potenziale contenuta nel combustibile bruciato. Senza introdurre ulteriori formule, possiamo determinare il lavoro utile per via “grafica” col diagramma TS.

Sull’asse verticale troviamo la temperatura, su quello orizzontale l’entropia. Evitiamo di addentrarci in quest’ultimo concetto, se no non ne usciamo più, e limitiamoci all’approccio termodinamico: per dirla in maniera grossolana, quasi rozza, l’entropia è il rapporto tra il calore scambiato e la temperatura a cui avviene lo scambio. In altre parole, quando scaldiamo dell’acqua è possibile che aumentino solo la temperatura (durante il riscaldamento), solo l’entropia (durante la vaporizzazione, che avviene a temperatura costante, in atmosfera di 100°C) o entrambe (riscaldando ulteriormente del vapore saturo).

Il lavoro del ciclo è esattamente l’area contenuta nel perimetro rosso del grafico.

Se voglio aumentare il lavoro e quindi il rendimento, le cose sono due: o alzo la linea orizzontale (isobara) alta aumentando la pressione nel vaporizzatore, ma non posso farlo troppo altrimenti vado troppo vicino al punto critico, o abbasso quella bassa. Ma su un motore a pistoni non posso prolungare più di tanto l’espansione (2-3’) costruendo un cilindro stra lungo perché non mi conviene: il vapore non avrebbe più abbastanza pressione per generare una forza decente sul pistone (anche perché deve essere la stessa per ognuno).

La soluzione? Aggiungo uno o più altri cilindri di diametro più grande, che usano il vapore di scarico dei cilindri piccoli, in grado quindi di generare una spinta decente anche con una pressione più bassa. La forza esercitata sul pistone è infatti il prodotto tra la pressione e l’area dello stesso: se voglio la stessa forza con meno pressione aumento il diametro, semplice.

Una locomotiva così costruita si definisce a doppia espansione o compound, seguendo vari schemi: il più comune è due cilindri AP esterni al telaio e due BP interni.

Problemi? A non finire. L’apparato motore della locomotiva ha esattamente il doppio di componenti e quindi di rogne. La laminazione vapore tipica delle distribuzioni non a camme, come abbiamo appena detto, porta a una condensazione “precoce” in determinate situazioni, che limita i guadagni in fatto di rendimento. I limiti di sagoma della locomotiva non consentono di creare cilindri troppo grandi. Infine, un difettino molto curioso che affliggeva i primi esemplari.

La prima locomotiva a doppia espansione è stata la Teutonic, inglese, con due assi motori.

Diversamente dalle successive dove i cilindri ad alta e bassa pressione azionano contemporaneamente tutti gli assi, in questo caso due ad alta pressione muovevano l’asse motore anteriore e uno a bassa pressione quello posteriore. Se per pura disgrazia la locomotiva si trovava nella posizione sbagliata dopo un cambiamento di verso di marcia, poteva succedere che l’asse davanti e quello dietro si mettessero a girare uno da una parte e uno dall’altro, coi risvolti comici del caso. Anche se i cilindri avessero mosso lo stesso asse tutti insieme l’effetto, meno comico, sarebbe stato di torcere l’assale…

Fu necessario sviluppare complicati dispositivi che limitassero l’apporto di vapore ai cilindri a bassa pressione in partenza, in modo che quelli ad alta avessero la meglio almeno per il primo giro di ruote. Se siete entrati nella mentalità del progettista di locomotive e ci avete seguito attentamente finora, vi sarete certamente immaginati come una soluzione del genere possa essere stata vista in Italia. Bravi, esatto: male. Si è preferito adottare quasi sempre l’espansione singola, più compatta, economica, semplice e leggera. Non senza eccezioni: le locomotive dei gruppi 470, 680 e le “mucche” 670 (le uniche locomotive a vapore con la cabina per davanti) impiegarono questa soluzione con successo, ma sempre con un occhio al non incasinarsi troppo la vita. La 470, per dire, per semplificare la distribuzione aveva i cilindri AP da una parte e BP dall’altra. Sbilanciata? Certo, ma faceva massimo i 50 all’ora e non se ne accorgeva nessuno.

Un successo quasi universale incontrò invece il surriscaldamento del vapore, con o senza la doppia espansione. Consiste nel prendere il vapore saturo prodotto dalla caldaia ed elevarne la temperatura in maniera da portarlo nell’area destra del diagramma TS, provocandone un aumento di energia interna: il ciclo prende il nome di ciclo Hirn.

Un dispositivo che complica relativamente poco la locomotiva e consente di sfruttare molto meglio il calore prodotto dalla combustione, raffreddando maggiormente i fumi e trasferendo tale calore al vapore.  Anche qui, vi sono varie tipologie; il surriscaldatore più famoso è quello di tipo Schmidt. Consiste in alcuni tubi di fumo di grande diametro entro i quali corrono altri tubi molto più piccoli dove circola il vapore.

Un altro dispositivo presente su alcuni modelli, spesso aggiunto successivamente, è il preriscaldatore. Durante la marcia l’acqua è immagazzinata nel tender e si trova a temperatura ambiente. Quando viene aggiunta a quella in caldaia, la raffredda, con gli svantaggi del caso. All’inizio del XX secolo si diffusero tutta una serie di preriscaldatori che avevano il duplice vantaggio di migliorare le prestazioni della macchina e diminuire la formazione di calcare in caldaia. Efficace quello della Knorr (non so se la stessa del dado) che sfruttava il vapore di scarico dei cilindri; da noi si diffuse il Franco-Crosti, che usava invece i fumi della caldaia, decisamente più caldi. Si trattava di un lungo cilindro situato di fianco alla caldaia sul quale era fissato il fumaiolo, che sembra quasi la marmitta di qualche vecchio trattore.

Di peggio fecero i sudafricani, che sfornavano ancora locomotive a vapore negli anni ’50, quanto noi facevamo le corse prova del Settebello: avendo il problema dell’approvvigionamento idrico in alcune zone e non volendo tirarsi dietro una fila di cisterne solo per quello, le SAR (South African Railways) concepirono il cosiddetto gruppo 25, dotato di un enorme tender provvisto di quella roba che abbiamo citato in apertura, chiamata condensatore, che in una locomotiva non si era mai vista; tutto per recuperare (parte del)l’acqua di condensa del vapore di scarico.

Condensatore a parte, vi abbiamo raccontato di tutta una serie di piccole innovazioni tipiche delle locomotive italiane, il cui sviluppo si fermò abbastanza presto con l’arrivo delle prime elettriche dove siamo stati pionieri. All’estero se ne videro un po’ di tutti i colori. Alle mastodontiche locomotive articolate Mallett abbiamo già dedicato un articolo. Alle carenature e ai relativi record di velocità più d’uno. Quanto alle nostre piccole e geniali vaporiere, ve le racconteremo un giorno una per una, perché meritano tutta l’ammirazione per il loro genio, per la linea sempre aggraziata e filante e per lo spirito pragmatico con il quale furono ideate in un’Italia che, decenni e guerre mondiali prima del boom economico, fece dell’arte di arrangiarsi uno stile di vita.

In apertura: locomotiva 691.021 (foto Marklinfanclub). Un’unità di questa serie, la 011, stabilì il record di velocità italiano per locomotive a vapore di 150 km/h.

In chiusura, se non lo avete già fatto, ordinate Di Brutto vol. 7 che renderà la vostra estate migliore.

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