CALDAJE A VAPORE La pompa d'alimentazione delle caldaje è posta 'in

movimento dal motore stesso al quale la caldaja è desti-nata a somministrare il vapore, oppure da un motore speciale denominato piccolo cavallo a vapore.

Nel primo caso si caletta sull'albero motore un eccen-tr.ico H quale dà il moto di andivieni allo stantuffo, che ordinariamente è a canna; la disposizione della pompa varia a seconda del luogo in cui essa è attaccata all'in-telajatura della motrice, sempre però è a semplice ef-fetto. La fig. 200 rappresenta una pompa d'alimenta-zione per caldaja fissa nella quale lo stantuffo si muove verticalmente; A è il tubo d'arrivo dell'acqua, B il tubo che injetta l'acqua in caldaja, e fra di essi trovasi il corpo di tromba colle valvole d'aspirazione e di compressione, oltre ad una valvola di sicurezza che ordinariamente è caricata mediante una leva che porta un peso applicato ad una sua estremità; un robinetto serve a regolare la quantità d'acqua da injettarsi nel generatore.

Quando il tubo B premente della pompa è molto lungo, allora è indispensabile applicare accanto alla bocca d'introduzione di questo tubo in caldaja, una valvola d'introduzione detta valvola automatica d'ali-mentazione della caldaja per distinguerla da quella pre-mente situata nella tromba: questa valvola d'alimenta-zione ha per oggetto d'impedire l'efflusso dell'ac(}ua e del Yapore dalla caldaja nel caso in cui la val vola di sicu-rezza della pompa fosse caricata di un peso inferiore a quello corrispondente alla pressione del vapore.

Natura clclle locomotive

Locomotiva per viaggiatori a ruote libere .

» per convogli misti a 4 ruote accoppiate

In una pompa d'alimentazione è bene che le valvole tanto aspirante che premente e d'alimentazione sieno sferiche, siccome quelle che danno luogo ad un maggior

Fig. 200.

rendimento della pompa stessa e sono meno soggette ad inchiodarsi sulla loro serle.

Nel seguente quadro si trovano indicate le dimensioni delle trombe alimentari, che in generale sono in numero di due per ciascuna macchina, di parecchie locomotive.

Dimensioni della tromba

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---~-Locomotiva per merci a 6 ruote accoppiate (per stazioni) 0.0508 0.052 0.045 0.110 0.052 0.072 0.054 O.OGO

0,558 0.050 0.013 0.054 0.050 0.003 0.560 0.048 0.012 0.052 0.054 0.0025 0.460 0.044 0.015 0.045 0.045 0.0025 0.120 0.060 0.008 0.055 0.055 0.0025 0.600 0.050 0.013 0.054 0.054 0.003 0.660 0.060 0.014 0.054 0.054 0.003 0.550 0.060 0.012 0.064 0.064 0.003 0.480 0.04t1 0.015 0.054 0.054 0.003

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per viaggiatori a ruote libere (Cail) per merci ad 8 ruote accoppiate (Creusot) a gran velocità sistema Crampton (Cail) tender ad 8 ruote accoppiate (Gouin) .

L'impiego delle ordinarie pompe d'alimentazione non permette di injettare in calrla,ja acqua la cui tempera-tura superi i 30 o 35 gradi centigradi, perché al di là di questa temperatura il vapore d'acqua cile si svolge è sufnciente per impedire il funzionamente delle val v o le rlella pompa.

L'ingegnere Chiazzari ispettore del materiale alle ferrovie dell'Alta Italia, nell'intento di alimentare la caldaja con acqua calda utilizzan lo il calore contenuto nel vapore di scarica de'i cilindri motori, e così realiz-zare un'economia nel consumo del com busti bile, ideò e cosirusse la sua pompa-injettore, la quale ottenne la medaglia d'oro all'Esposizione di Parigi del 1878.

In un corpo eli tromba orizzontale (fig. 20 l) si muove uno stantufio S, che guidato da un grosso gambo G ge-nera dalla parte che diremo anteriore A' un volume più grande che dall'altra. Nella sua corsa di andata, lo

stan-tuffo produce un vuoto dietro di sè, ad occupare il quale la -pressione atmosferica spinge l'acqua fredda che è nel tender e che vi giunge per il tubo P sforzando la val-vola t. Nella corsa di ritorno, la valvola di per se stessa si chiude, e si apre invece un'altrn. valvola d, per cui l'acqua contenuta nella camera minore della tromba passa per mezzo di apposito condotto D D in una camera di condensazione che sta sul davanti del corpo di tromba.

E l'acqua vi giunge attraversando i molti forellini di una piastrella P. Intanto è d'uopo sapere che codesta camera di condensazione è in comunicazione colla camera ante-riore A' del corpo eli tromba per mezzo di una valvola b, forzata la quale, l'acqua è costretta ad entrare nella camera maggiore della tromba in virtù del vuoto che vien fatto dallo stantuffo che retrocede.

Ma siccome il volume generato è molto maggiore di quello dell'acqua che vi entra, così vi si produce un v.uoto

CALDAJE A VAPORE 99 parziale, il quale richiama per mezzo del tubo V una

parte del vapore che si trova nel tubo di scarica; ed è questo vapore che condensandosi all'incontro dell'acqua spruzzante in sottilissimi getti dalla piastrella, riscalda l'acqua e la trascina con sè nella camera maggiore della tromba. Seguitando il senza interruzione. Ma tostochè, chiuso il moderatore nel tubo a sifone, regnerà la pressione atmosferica, la valvola si aprirà per il proprio peso, e da quel punto il vuoto prodotto nel piccolo scompartimento della pompa si riempirà d'aria e la tromba lavorerà a vuoto, pronta

a riprendere le sue funzioni appena si apra di nuovo H moderatore.

Le esperienze eseguite dall'ingegnere Chiazzari sulla locomotiva a 6 ruote accoppiate, Fieramonte, per 4 mesi consecutivi dimostrarono che il giuoco delle valvole, dello stantuffo, dell' minore peso specifico) alla velocità d'efilusso dell'acqua, quindi, se noi potremo, mediante apposito congegno, servirei di questa velocità grandissima del vapore per dare ad una massa d'acqua fredda una velocità

supe-100 CALDAJE A VAPORE riore a quella colla quale l'acqua calda uscirebbe dal

generatore, è manifesto che quest'acqua potrà, mediante tubo, essere injettata in caldaja.

Questo è appunto quello che fa l'injettore, cioè esso prende un determinato peso di vapore dalla caldaja, lo fa effluire attraverso ad un tubo conico in una camera posta in comunicazione col deposito dell'acqua, ivi suc-cede un'aspirazione dell'acqua fredda, la quale, incon-trando il vapore, si mescola assieme e forma acqua calda che possiede ancora velocità sufficiente da poter immet-tersi in caldaja.

Consideriamo, per esempio, un generatore a 6 atmo-sfere, applicando la formola di Torricelli per l'efflusso del vapore e dell'acqua contenuti in caldaja troveremo cbe la velocità d'efflusso del vapore è 17.5 volte quella del-l'acqua, quindi questo vapore mescolandosi con un vo-lume d'acqua di peso P, in virtil del principio della con-servazione delle quantità di moto, chiamando rispetti-vamente u e V le -velocità considerate del vapore e dell'acqua, dovremo avere la relazione

ossia

ma

epperciò

l x ^~t=( l +p) x

u

lX _!!__=l+P

u

u .

u ^17.5

p= 16.5

cioè per ogni chilogrammo di vapore si può imprimere a chilogrammi 16.5 d'acqua una velocità eguale a quella d'efflusso dell'acqua della caldaja. Siccome però si hanno perdite nelle condotte attraverso ai tubi conici ed inol-tre è necessario imprimere al miscuglio una velocità superiore a quella V, così il peso P resta ridotto; in media consigliano i pratici di moltiplicare questo peso P per 0.70, cosic,~hè pel caso da noi considerato diremo che si potrà fnjettare in caldaja un peso d'acqua eguale a 11.55 volte quello del vapore derivato dalla caldaja stessa.

La fig. 202 rappresenta un injettore acl asse verticale molto usato e dovuto a Delpèch. Il vapore condotto dalla caldaja attraverso il rubinetto H, il quale trovasi ordi-nariamente sempre aperto, entra nel tubo conico A, la cui apertura all'estremità inferiore viene chiusa ocl aperta dall'otturatore a vite N; quest'otturatore regola quindi l'efflusso del vapore. Il tubo A termina in una camera B che è messa in comunicazione col tender me-diante il tubo d'aspirazione g; la camera B finisce· in un tubo conico C, al quale trovasi dirimpetto un altro tubo conico convergente D. Finalmente il piccolo tubo 1·

serve a scaricare la camera G dell'acqua che non venne trascinata nei primi istanti in cui si regola l'apparecchio;

la vite S è destinata alla pulitura del canale R, all'estre-mità del quale trovasi la valvola V d'impulsione.

Per mettere in azione l'apparecchio, si apre il rubi-netto H di presa del vapore e si solleva l'otturatore N girando il volàntino posto superiormente, allora il va-pore effiuendo dal tubo conico convergente A produce un'aspirazione nella camera Be quindi richiama l'acqua dal tender in questa camera; ivi giunta l'acqua s.i mescola al vapore e lo condensa completamente se la quantità di vapore effiuente è conveniente. Intanto per quello che viene sopra detto, il mi cuglio possiede ancora tanta ve-locità da effluire dal tubo conico C, imboccare il tubo D

e pel canale R sollevare la valvola V ed injettarsi in caldaja. Atnnchè l'injettore funzioni regolarmente, è d uopo che tutto il vapore sia condensato dall'acqua fredda nell'atto che si forma il miscuglio, in caso contrario quest'acqua non assume la velocità che deve avere per poter immettersi in caldaja, ed allora essa si versa nella camera E, dalla quale viene esportata dal tubo di sca-rica T; per ottenere questo, il macchinista muove il vo-lantino dell'otturatore finchè vede che clal tubo T non esce piì.l acqua.

s

Fig. 202.

La fig. 203 rappresenta in modo schematico la sezione longitudinale di un injettore acl asse orizzontale dovuto a .B'riedmann; il vapore arriva cl al condotto A, si mescola

Fig. 20:l.

all'acqua che giunge dal tubo B, ecl il miscuglio imbocca il tubo conico C, donde poi va alla caldaja; M ed N sono rispettivamente i tubi di scarica dell'acqua e di spurgo.

Quest'injettore può alimentare con acqua a 60° centigr.

Altri injettori, come quello Pohlmeyer, Haswell, Dixon, funzionano in modo analogo al precedente, solo hanno vantaggi derivanti da maggior semplicità del mecca-nismo ed anche per impedire che l'acqua possa nella stagione invernale congelarsi nel tubo d'alimentazione.

CALDAJE A VAPORE lO l

CALCOLI RELA'l'IVI AI, LE CALDAJE A VAPORE.

Gli elementi di una caldaja a vapore che si assogget-tano a calcolo sono i seguenti :

l o La superficie di riscaldamento.

2° La superficìe della graticola.

3° ·Il peso di combustibile da abbruciarsi nell'unità di tempo, l'ora.

4° Volume çl'aria necessario alla combustione di questo peso di combustibile.

go Calcoli relativi agli apparecchi di alimentazione y eli sicurezza. possedere il vapore generato, e dalla quantità di calore che nel medesimo tempo viene somministrato all'acqua della calclaja: questa quantità di calore a sua volta ab-bruda, cosi, per un determinato combustibile, sarà l'e-stensione della superficie di riscaldamento che influirà sulla quantità di calore che passa in caldaja.

Delle due quantità da cui dipende la potenza vaporiz-zatrice delle caldaje, la prima, cioè la temperatura o la pressione del vapore, ha assai poca influenza a fronte della seconda, cioè dell'estensione della superficie eli riscaldamento.

Quest'aumento è ancora minore se consideriamo il va-pore generato a 5·od a lO atmosfere. Quindi piì.1 che tutto bisogna tener calcolo della superficie di riscaldamento.

Il problema adunque si riduce al seguente: data la potenza vaporizzatrice che deve possedere una caldaja, tro,vare la superficie di riscaldamento.

E necessario innanzi tutto esaminare il fenomeno della combustione per quanto riguarda almeno la tempera-tura dei gas caldi.

Al dissopra della graticola, la temperatura dei gas caldi è quella stessa di regime del focolajo, è in sostanza la temperatura di combustione del combustibile che si ab brucia. Ma questi gas in combustione lambiscono la su-perficie diretta di riscaldamento, che trovasi ad una tem-peratura assai minore della loro, quindi cedono acl essa una gran parte del loro calore, abbassandosi quindi di molto la loro temperatura. Questo fatto è provato dal-l'estinguersi della fiamma, quantunque si trovino ancora frammisti ai prodotti della combustione dell'ossigeno li-bero e degli elementi combustibili.

I gas s'avviano pei condotti del fumo stando sempre in contatto colle pareti clelia caldaja, cedono adunque ad esse sempre calore e si raffreddano gradatamente. Ma pel fatto istesso del raffreddamento graduale la quantità di calore ceduta va sempre diminuendo, essendo questa proporzionale alla differenza di temperatura esistente tra i gas caldi e le pareti della caldaja o dell'acqua in (tuesta contenuta che si mantiene a temperatura co-stante. Arriverà quindi che ad un certo punto la quan-tità1cli calore ceduto sarà tanto piccola da non convenire un prolungamento ulteriore dei condotti, cioè si lascie-ranno allora i gas caldi affluire al camino.

Da quanto abbiamo detto si scorge che la potenza · vaporizzatrice della superficie di riscaldamento non è costante; essa è maggiore, e eli molto, per la superficie diretta, e va diminuendo da questa sino all'ultima se-zione della superficie indiretta.

Per poter determinare l'estensione delle superficie di riscaldamento di una caldaja capace di una generazione determinata eli va p ore , bisognerebbe conoscere: l o la potenza vaporizzatrice della superficie diretta che si può ammettere costante; 2° la potenza vaporizzatrice della superficie indiretta che varia colla temperatura dei gas caldi.

La legge secondo la quale vari·a la temperatura dei gas caldi nel percorrere i condotti, potrebbe essere de-terminata sperimentalmente col misurare appunto la temperatura di questi contemporaneamente in diversi punti dei condotti.

Sgraziatamente le esperienze fatte fino acl ora a questo riguarùo, oltre all'es~ere assai scarse e per alcuni: tipi appena di calt1Pje, sono anche poco concludenti. Ciò deve attribuirsi in ispecial modo agli apparecchi, ancor poco pratici, che si adoperano in simili esperienze.

Le esperienze eli Graham e di Petiet, fatte a questo riguardo, non sono cl i rette alla determinazione della legge eli variazione della temperatura dei gas, ma a quella ùi variazione della potenza vaporizzatrice della superficie eli riscaldamento.

Esperienze eli G1·aharn. - Graham disponeva in un condotto speciale, che formava la prosecuzione di un focolajo, quattro caldaje eli forma cubica, aperte su_pe-riormente e ripiene d'acqua. La prima era posta diret-tamente sopra la graticola e la sua superficie di fondo era eguale a quella di quest'ultima. Le rimanenti erano poste l'una attigua all'altra nel condotto.

Misurando aopo un certo tempo la quantità d'acqua vaporizzata in ciascuna calllaja, trovò:

per la l a caldaja. Ripetè l'esperienza, adottanùo, invece di 4 caldaje cu-biche ed aperte superiormente, 3 caldaje cilindriche chiuse, e ciò per avvicinarsi eli pih al caso pratico, e dimi-nuzione della potenza vaporizzatrice della superficie di riscaldamento, danno almeno un'idea della rapida dimi-nuzione della medesima.

· Espe1·ienze eli Petiet. - Petiet eseguiva le sue espe-rienze sopra una locomotiva, la quale era divisa in

cio-102 CALDAJ E A V PORE que scompartimenti per mezzo di diafragmi metallici,

in modo che non vi fosse comunicazione tra l'uno e l'altro degli scompartimenti.

Fece poi due serie di esperienze, l'una col tirante na-turale e l'altra col tirante forzato; i risultati ottenuti sono riportati nella seguente tabella:

l

Frazione della produzione totale

Num~:ro Superficie ^di vapore

Nel primo scompartimento, oltre a tutta la superficie diretta, era compresa anche Om.lO circa di lunghezza di corpo tubulare, e ciò per tener calcolo della piastra tubulare.

Queste esperienze banno dimostrato che la potenza vaporizzatrice della superficie diretta è 8 volte mag-giore di quella indirE(tta; questo però vale solo per le locomotive del tipo analogo a quella sperimentata.

Un certo numero di esperienze analoghe fatte su diversi tipi di caldaje potrebbe sicuramente condurre a risultati attendibili, ma queste uniche esperienze non bastano, sarà quindi necessario per la risoluzione del problema proposto ricorrere a dati sperimentali di altra natura.

Invece adunque di separare la superficie di riscalda-mento in diretta ed in indiretta, consideriamo quella totale, e cerchiamo se esistano esperienze che possano fornirci dati plausibili sulla potenza vaporizzatrice me-dia, cioè sulla quantità di vapore che può fornire un metro quadrato di superficie totale all'ora.

La potenza vaporizzatrice media allora dipenderà dall'estensione della superficie di riscaldamento e dalla quantità e qualità di combustibile abbruciato all'ora.

Sembra evidente che in una caldaja, di qualunque tipo essa sia, per una data superficie di riscalilamento, la potenza vaporizzatrice aumenti coll'aumentare del peso di combustibile abbrudato all'ora; però vi sarà un certo rapporto tra la superficie di riscaldamento ed il peso di combustibile abbruciato in un'ora, per cui il rendimento della caldaja sarà massimo, quindi è natu-rale che questo rapporto dovrà essere la base dei calcoli che stiamo per intraprendere. Questo rapporto per ogni tipo di caldaja e per le diverse qualità di combustibile può essere fornito solo dall'esperienza, e noi appunto ci rivolgiamo ad una serie di esperienze fatte nel 1874 dal Comitato di meccanica della Società Industriale di Mulhouse.

n

rapporto di queste esperienze fu pubblicato nel bollettino della Società stessa nel giugno 1875. Il modo in cui furono dirette queste esperienze, chiaramente descritto nel medesimo rapporto, è tale per cui si possa prestare :fiducia assoluta ai risultati ottenuti.

Lo scopo delle esperienze era la determinazione del rendimento di tre tipi di caldaje, cioè Caldaja a foco-lajo esterno con bollitori; Caldaja a focolajo interno

« Lancashire »; Caldaja Fairbairn. Ecco il brano tra-dotto della relazione che riflette il nostro caso :

<< I nostri esperimenti confermano implicitamente

tutti quelli dei signori Burnat, Marozeau, Scbeurer-Kestner e Meunier, cioè che il migliore rendimento di una caldaja ordinaria s'ottiene abbruciando sulla gra-ticola all'incirca 2 chilogrammi di carbon fossile di qua-lità media per ora e per metro quadrato di superficie di riscaldamento ».

E più avanti: « Le nostre esperienze chiariscono an-cora che per installare in buone condizioni una caldaja del tipo di quelle che noi abbiamo esperimentate, non importa gran fatto, dal punto di vista del rendimento, il dare piuttosto la preferenza all'uno o all'altro tipo;

sono considerazioni d'ordine pratico relative alla costru-zione, alla manutencostru-zione, alla natura delle acque, alla facile pulitura, al prezzo di costo ed alla sicurezza che devono guidare alla scelta del tipo da adottarsi. Essendo dati, la graticola, i condotti del fumo, il camino, ecc., tali come si trovano generalmente da noi, la potenza vapo-rizzatrice dipenderà soprattutto dall'estensione della superficie di riscaldamento in rapporto alla quantità di combustibile da abbruciarsi. Più grand~ sarà la super-ficie di riscaldamento, piil il rendimento s'accrescerà, purchè H combustibile abbruciato si mantenga entro il limite di 1.5 a 2 chilogr. per metro quadrato di super-ficie di riscaldamento ». Queste esperienze confermano del resto un concetto emesso da Hirn fin dal 1856.

Ora, se ci riferiamo alle esperienze già citate e ad altre numerose fatte su caldaje a vapore fisse, troviamo che:

un chilogramma di carbone fossile medio può vaporiz-zare dai 1 ai 9 chilogrammi di acqua; assumendo la media di 8 chilogrammi, potremo stabilire che ogni metro quadrato di superficie di riscaldamento genererà dai 12 ai 16 chllogrammi di vapore.

N el calcolo della superficie di riscaldamento sarà me-glio assumere il primo dei due valori, perché una come anche talvolta per la necessità d'ottenere in pic-colo spazio una produzione grande di vapore, quei nu-meri sono inammissibili.

Per le caldaje delle locomobili e verticali la produzione di vapore per m. q. di superficie di riscaldamento può variare anche da 20 a 40 chilogrammi, consumando però dai 4 ai 6 chilogrammi di carbone.

Importa ancora riflettere che tutti questi dati espe-rimentali sono valevoli quando si abbruci del carbon fossile medio, ciò che del resto succede il più sovente, ma per altri combustibili vanno modificati, in relazione alla loro potenza calorifica ed ancora al loro potere irradiante. Infatti, siccome la superficie diretta non solo riceve calore pel contatto dei gas caldi, ma ancora per irradiazione, cosi, mettendo a paragone due caldaje iden-tiche per tipo e per dimensione, avrà un maggior potere vaporizzante quella sulla cui graticola si abbrucierà del combustibile di potere irradiante maggiore.

Un'altra circostanza influisce sul consumo di combu-stibile per ogni m. q. di superficie di riscaldamento, ed è la natura del tirante. Col tirante forzato si può di molto aumentare quel consumo ed aver quindi una potenza vaporizzante per m. q. di supertìcie di riscaldamento assai maggiore.

Ricapitolando ora, se indichiamo con A la superticie

CALDAJE A VAPORE 103

di riscaldamento in metri quadrati, e con r. il peso di, combustibile in chilogrammi abbruciato all'ora, il

di riscaldamento in metri quadrati, e con r. il peso di, combustibile in chilogrammi abbruciato all'ora, il

Nel documento ARTI . E INDUSTRIE (pagine 99-120)