Locomotive a vapore surriscaldato

Gli scopi del surriscaldamento del vapore sono:
1) soppressione dell'acqua trascinata dal vapore;
2) soppressione del fenomeno di periodica condensazione nel cilindro;
3) aumento del volume del vapore.
Sembra anche accertato che il vapore surriscaldato sia un conduttore del calore assai meno buono del vapore saturo, dimodoché col surriscaldamento si ha anche il vantaggio di un minore disperdimento di calore.
Dei vantaggi inerenti alla soppressione del trascinamento dell'acqua è inutile parlare, perché troppo evidenti: vedasi del resto quanto si è detto parlando delle eiezioni d'acqua dal camino.
Esaminiamo piuttosto le altre due questioni e premettiamo che un vapore si dice surriscaldato quando, non essendo più in contatto coll'acqua, viene portato ad una temperatura superiore a quella alla quale venne generato.
Il vapore saturo d'una caldaia che lavora a pressione di 10 kg per cmq. ha una temperatura di 183°; se noi lo riscaldassimo in contatto dell'acqua di altri 8° avremmo del vapore saturo sotto pressione di 12 kg; se noi invece lo scaldiamo di 8°, quando non è più in contatto dell'acqua, abbiamo del vapore surriscaldato di 8° sotto pressione ancora di 10 kg.
Nel vapore saturo ad una data temperatura corrisponde sempre una data pressione e viceversa; col vapore surriscaldato la temperatura può salire comunque al di sopra di quella del vapore saturo, dando luogo ad aumento di pressione quando non si varia il volume, oppure ad aumento di volume quando non si varia la pressione, come si fa nelle locomotive.
Il vapore surriscaldato è uno stato intermedio fra quello del vapore saturo e quello dei gas e tanto più le sue leggi si accostano a quelle dei gas, quanto maggiore è il sua grado di surriscaldamento.
Ciò premesso vediamo come si comporta il vapore saturo durante il sua lavoro entro il cilindro d'una locomotiva.
Supponiamo pure che esso entri, cosa che non si verifica mai, assolutamente privo d'acqua nel cilindro: trovando il cilindro a temperatura più bassa della sua, esso in parte si condensa e si deposita sotto forma di minute goccioline che coprono l'interno del cilindro; il calore perduto dal vapore riscalda le pareti del cilindro e quando comincia la scarica la pressione si riduce al punto di diventare inferiore a quella che corrisponde alla temperatura delle pareti del cilindro; allora il cilindro restituisce al vapore il calore sottrattogli, rievaporizzando l'acqua depositata sulle sue pareti: la rievaporazione, resa facile dalla stato d'estrema divisione dell'acqua, raffredda di nuovo rapidamente i1 cilindro e riscalda il vapore che non lavora più.
Riassumendo: ad ogni corsa dello stantuffo v'è una sottrazione di temperatura, e quindi di pressione, al vapore attivo e una elevazione di temperatura al vapore inattivo.
Supponiamo ora di mandare nel cilindro invece di vapore saturo vapore sufficientemente surriscaldato: questo all'entrata nel cilindro troverà una temperatura un poco più bassa e quindi subirà una lieve diminuzione di temperatura, ma non condensazione, ed all'uscita avrà un lieve aumento di temperatura, ma non rievaporazione.
Dunque nel secondo caso si risparmia il calore latente della massa condensata nel primo caso; circa 530 calorie per ogni kg di vapore condensato e cioè oltre 10 volte quanto si perde per l'abbassamento di 100° di un'eguale massa di vapore surriscaldato.
Quanto al terzo dei vantaggi del surriscaldamento enumerati, quello cioè dell'aumento di volume notiamo che il volume del vapore surriscaldato è, a pressione costante, sensibilmente proporzionale per gli alti gradi di surriscaldamento alla sua temperatura, purché si cominci a misurare questa a partire da 273° sotto zero (cioè a 0 kelvin, N.d.R.); il vapore saturo a 10 kg ha la temperatura di 183°; riscaldandolo a 320° senza variarne la pressione prende un volume che sta assai approssimativamente al primo come (273+320)/(273+183) cioè in cifra tonda come 3/4, quindi collo stesso peso di vapore si possono fare 4 corse dello stantuffo in luogo di 3.
L'economia dovuta alla soppressione della condensazione nel cilindro è tanto maggiore quanto minore è il grado d'ammissione, mentre l'economia dovuta all'aumento di volume è tanto maggiore quanto maggiore è l'ammissione: la prima è sempre maggiore della seconda, ma ambedue si verificano sempre, e possono giungere per l'acqua sino al 35% dei consumi normali.
L'economia del combustibile è alquanto minore per diverse ragioni, ma soprattutto perché il surriscaldamento richiede calore oltre quello necessario per la produzione del vapore; i prodotti della combustione dovendo nella tubiera, non solo vaporizzare acqua, ma anche riscaldare il vapore, devono uscire dalla tubiera stessa ad una temperatura molto più alta non solo in quei tubi ove la maggior temperatura è utilizzata, ma anche in quelli dove non è utilizzata, perché non tutti i tubi del fumo sono adoperati per surriscaldare il vapore.
E' minore il salto di temperatura dei gas che si può utilizzare e quindi minore l'economia realizzabile.
Il surriscaldamento si fa nelle file superiori dei tubi bollitori nei quali sono situati appositi tubi in cui il vapore, dopo essere uscito dalla valvola di presa vapore in duomo, è fatto circolare prima di arrivare ai cilindri.
Questi tubi si chiamano tubi surriscaldatori e fanno capo ad un collettore detto camera collettrice del vapore.
La condotta del fuoco dovrà esser fatta tenendo presente che la parte anteriore della griglia è quella che dà la fiamma alla parte inferiore della tubiera, dove non c'è surriscaldamento; la parte posteriore dà la fiamma alla parte più alta dove vi sono i tubi più grossi che contengono quelli del surriscaldamento.
Si deve tener presente che l'economia d'acqua e di carbone è tanto maggiore quanto maggiore il grado di surriscaldamento.
Verso 320° è sicura, in condizioni normali, anche per le minori ammissioni, la soppressione del fenomeno di condensazione nel cilindro, soppressione che è il maggior vantaggio del surriscaldamento.
Oltre quel limite cessa la maggior fonte di economia e si corre il rischio di far colare le guarnizioni delle aste degli stantuffi e di guastare i cilindri per mancanza di lubrificazione, la quale deve essere maggiormente curata perché è sempre molto difficile alle alte temperature.
E' evidente che il surriscaldatore funziona solo quando la locomotive lavora, perché riscalda il vapore nel suo passaggio dalla caldaia ai cilindri, e che richiede molto consumo di calore che solo il tiraggio prodotto dallo scappamento può fornire: quindi a locomotive ferma la temperatura del collettore discende rapidamente.
In caso di guasti ai tabi del surriscaldatore bisogna sopperire possibilmente con molta attività di combustione.
Bisogna sempre usare grandi cautele nel toccare le loro guarnizioni, perché facilmente si possono causare avarie maggiori di quelle che si volevano togliere.
Si tengano sempre ben puliti i tubi di surriscaldamento servendosi d'un forte getto di vapore e delle apposite lance: la manovra deve essere fatta dalla parte del forno perché dalla parte della camera fumo gli stessi tubi del vapore surriscaldato sono d'impedimento.