Come funziona la Macchina di Savery, relazione di fisica

Introduzione #

Le prime miniere per l’estrazione del carbone, nel 1700, prima della prima rivoluzione industriale, si allagavano molto spesso, dando luogo a gravi incidenti. Era necessario levare l’acqua dalle miniere, e per levare l’acqua, portandola in superficie, serviva una pompa, come la macchina di Thomas Savery.

La macchina di Savery è il primo esempio di macchina termica con uno scopo pratico, a differenza della macchina di Erone, infatti venne chiamata “L’amico del minatore”. Abbiamo costruito una riproduzione della macchina con una piastra elettrica che riscalda l’acqua in una beuta.

Nel nostro caso la piastra corrisponde alla caldaia della macchina di Savery. La caldaia ha due valvole: una prima come valvola di sfogo verso l’ambiente, nel nostro caso l’acquaio (girare la leva rossa verso destra) ed una seconda, la valvola “A”, verso il cilindro (girare la leva rossa verso sinistra).

Descrizione della situazione iniziale #

La caldaia ha una prima valvola con un’uscita nell’acquaio, che serve come valvola di sfogo. La valvola A mette in comunicazione la caldaia con il cilindro, il recipiente accanto ad essa. In situazione iniziale la valvola A è in direzione del flusso del liquido dunque è aperta.

Grazie al tubo di rame che collega la caldaia con il cilindro, il vapore può raggiungere il cilindro.

Il cilindro viene messo in comunicazione con la miniera tramite la valvola D, al momento la valvola D è chiusa.

Infine abbiamo la valvola B che collega il cilindro all’ambiente, adesso è aperta.

Il tubo cilindro-miniera è immerso sia nella miniera ipoteticamente allagata sia nel cilindro.

Il tubo caldaia-cilindro invece è immerso nell’acqua del cilindro, ma non è immerso nell’acqua della caldaia, da essa riceverà solo il vapore.

La macchina di Savery ha anche la valvola C che serve per raffreddare il cilindro, collegandolo ad un serbatoio ad altezza dell’ambiente. Noi non abbiamo la valvola C nella riproduzione, bensì utilizzeremo un panno bagnato con acqua fredda per raffreddare il cilindro.

Il tubo cilindro-ambiente serve a pompare l’acqua a livello del suolo.

Procedimento #

Ci sono due fasi: fase 1 e fase 2 che si alternano

FASE 1 (svuotamento del cilindro) C→A #

Sono aperte solo due valvole, la A e la B

Si scalda la caldaia fino a temperatura di ebollizione.

Attendere fino a che gran parte dell’acqua del cilindro defluisce nell’ambiente per via della differenza di pressione (vedere Osservazione 1.1)

FASE 2 (svuotamento della miniera) M→C #

Si chiudono le valvole A e B

Precauzione: quando si chiude la valvola A nella caldaia si crea una grandissima pressione nella caldaia, per ridurre il rischio di esplosione bisogna aprire la valvola di sfogo.

Nel nostro caso basta indirizzare la valvola A verso l’acquaio.

Si apre la valvola D e contemporaneamente si raffredda il cilindro nel nostro caso con un panno bagnato.

Attendere fino a che gran parte dell’acqua della miniera defluisce nel cilindro per via della differenza di pressione dato che si crea una grande depressione nel cilindro. (vedere Osservazione 2.2)

Osservazioni #

1.1) Quando si scalda la caldaia fino a temperatura di ebollizione, la pressione della caldaia aumenta, dunque osservo che il tubo caldaia-cilindro riceve vapore dalla caldaia e lo inserisce nel cilindro, con pressione più bassa rispetto alla caldaia. Aumenta la pressione del cilindro, che diventa maggiore di quella dell’ambiente.

2.1) Invece di utilizzare un panno bagnato, nella macchina di Savery era necessario aprire un’altra valvola, denominata “C”, che per raffreddare il cilindro trasferiva acqua fredda dalla superficie terrestre.

2.2) Quando viene raffreddato il cilindro con l’acqua di raffreddamento, il vapore diventa acqua, si crea una depressione nel cilindro e la miniera con pressione ambientale spinge l’acqua nel cilindro che ha una depressione. Il tappo della miniera è largo perché siamo a pressione atmosferica, mentre quello del cilindro deve restare sigillato. Infine le due pressioni si equivarranno.

La macchina era pericolosa per la creazione di pressioni alte e la difficoltà di gestione. Serve tanta energia, dunque molto combustibile, con rischi d’incendio nella miniera ed esplosioni.

Conclusione #

La macchina serve per svuotare una miniera ma ha diversi difetti. Innanzitutto l’alternanza cicli di raffreddamento e riscaldamento del cilindro, causa sia uno stress termico sia uno spreco di energia ad ogni ciclo.

Modifiche storiche alla macchina di Savery #

La macchina di Newcomen è un’evoluzione della macchina di Savery che abbiamo ricostruito in questo esperimento. La macchina di Newcomen sfruttata per generare lavoro. Per mezzo della differenza di pressione viene alzato o abbassato un macchinario per sollevare dei pesi.

Watt, grazie all’aggiunta del condensatore alla macchina di Newcomen, risolve questo problema comune a tutte le pompe a vapore, in quanto non serve che il cilindro si scaldi e si raffreddi ma può rimanere caldo mentre la macchina percepisce comunque la depressione del condensatore.