Machina vaporaria

Exempla vaporis ad opus exercendum adhibiti inveniuntur primo saeculo, cum Hero Alexandrinus turbinem vaporarium simplicem excogitavit, necnon, ut ferunt, machinam quae ianuas templi aperiret et clauderet.

Initium hodiernae machinae vaporariae fuit antlia quaedam, a Thoma Savery anno 1698 fabricata, in qua vapor recte in corpus aquae elevandae agitur. Prima machina quae cylindro et pistillo utebatur a Dionysio Papin, machinam Savery emendare volens, 1705 constructa est. Eodem anno, Thomas Newcomen machinam cum embolo fabricavit quae formae hodiernae propius accedebat. Embolus in cylindro movens catena colligata est ad extremam partem trabis, quasi trutinae magnae. Vapor ex cortina in cylindrum admissus sinebat embolum elevari a contrapondere gravi quod ab altera parte trutinae suspensum est. Inde, valvula clausa, vapor cylindri a frigida aquae scatebra rapide condensabatur ut, cylindro iam vacuo, embolus vi atmosphaerica deprimeretur et opus aquae elevandae exerceretur trahendo ferulam quae trabem ad antliam coniungebat.

Fertur Honophredus Potter, puer quidem, cui valvulam aperire et claudere iussus erat, tam ignavia quam sollertia, fecisse machinam, per duas chordas, valvulas ipsius agere, et ideo primam valvulam automaticam finxisse.

Creatio hodiernae machinae vaporariae debita est Iacobo Watt, fabricatori instrumentorum in Universitate Glasvegiensi, qui emendationem quintuplicem fecit:

• 1. vaporem condensare in vaso discreto, condensatro vocato, ut cylindrus calidus maneret et energia frustra non perderetur
• 2. antliam aeriam addere ut cylindrus facilius vacuaretur
• 3. cylindrum tegumento includere ut refrigerari prohiberetur
• 4. actionem duplicem facere qua embolum, haud vi atmosphaerica reprimeretur, immo vi vaporis in alteram partem cylindri admissi
• 5. vaporis expansionem usurpare, scilicet, vaporem in cylindrum admitti desinere cum motus emboli partim duntaxat confectus sit, ut vapore adhuc in cylindro expandente motus perficeretur.

Watt alias res perutiles excogitavit, exempli gratia, valvulam strangulatricem quae vaporis admissum temperaret, gubernatrum centrifugum (de quo vide infra) et cum Gulielmo Murdoch, valvulam lapsivam ad vaporem e cylindro admittendum et liberandum. Excogitavit etiam artificium (cuius diploma monopolii ei donatum est) quo duo aut plures cylindri in machina unica simul exercentur, videlicet “machinam compositam”, quae perutilem se praebuit in machinis amplioribus ubi magis intererat alimenti usus parcioris.

Motus prorsum et retrorsum emboli per lineam rectam in motum rotativum convertitur per virgulam colligativam, quae, axi uncato coniuncta, rotam volantem volvit.

Potentiam machinarum metiri solent iuxta “potentiam equi”. Gratia exempli, machina potentiae unius equi est ea quae pondus 33 000 librarum, per spatium unius pedis, in una minuta, elevare valet. Ista mensura adscita est quod cum primae machinae in locum equorum substituerentur ad aquam ex fodinis haurendam, possessores fodinarum scire volebant quot equos, machina empta, dimittant.

• Machina Horizontalis cylindrum embolusque prona iacentia habet,cui ordini sunt duo bona, scilicet, quod pondus aeque distribuatur, et quod facilius ad partes accedatur ut reficiantur.

• In Machina Verticali^? cylindrus embolusque recta supra axem uncatum stant, ut spatium parcius occupent. Tales sunt plurimae machinae maritimae.

• In Machina Oscillanti virgula emboli, sine cardine, continuo ad axem uncatum colligatur, cylindro ipso cum unco oscillante. Hic cylindri motus valvulas vaporis aperit clauditque.

• In Machina Condensatrice vapor exhaustus condensatur, fere scatebra aquae frigidae, potiusquam in aerem emittitur.

• In Machina Composita sunt duo saltem cylindri et duo expansiones. Vapor ex cortina primo cylindrum magnae pressionis intrat, unde vapor exhaustus alterum cylindrum parvae pressionis exercet. Tales machinae alimenti parciores sunt quapropter naves pergrandes fere machinis "expansionis triplicis" (scilicet tres cylindros habentibus) utebantur antequam turbines vaporarii substituti sunt.

Antea cortinae ferreae erant, sed hodie chalybis construuntur ut pressiones vaporis permaximae resistant. Primae cortinae unam solam, interdum duas caminas habebant quae a focario ducebantur. Cortinae recentiores tamen caminulas multiplices continent quae e focario per mediam cortinam in fumarium ducuntur, unde cum vapore e cylindris exhausto, fumi in aerem exeunt. Ventii meatus a vapore exhausto inductus, calorem per caminulas trahit ut energia in aquam transferatur, et flagrantiam in focario auget.

In cortina tubaria, aqua in tubis per fornacem ducitur ut vapor maximae pressionis rapide gignitur.

In Machina Supercalefacta, vapor in cortina genitus, inde per tubulos ductus in fornace iterum calefit, energia aucta quamvis pressionis eadem manet.

Ad cortinam coniungi solent antlia ad aquam iniciendam et varii mouli ad quantitatem aquae in cortinae et pressionem vaporis indicandam, et valvula salutaris quae vaporem solvit si pressio magis crescat quam ut cortina tuta maneat.

Calor quo aqua in vaporem mutatur est energia qua machina utitur ut opus utile efficiatur. Si aqua in vaso omnino clauso continuo calefiat, energia in vapore sic cumulata pressionem adeo auget ut, quodam tempore, vasum noniam resister valens erumpat, scilicet energia calorica in energiam mechanicam mutetur. Causa pressionis ita augendae est quod vapor spatium occupat magis quam spatium ab aqua occupatum, vicibus 1600. Cum vapor gignitur et spatium non invenit ut expendatur, pressio ingens afficitur, et hac vi expansiva, machina exercetur.

In machina, cortina est vasum paene clausum ex quo per tubum pressio vaporem impellit ad vaporarium unde ad cylindros distribuitur ut embolos exerceat.

Vapor, cum pressione impulsus embolo fit, ad finem cylindri magna cum vi repellit. Cum autem motus emboli perfectus est, quoddam ingenium callidissimum, "valvula lapsiva" nomine, agere incipit quae ingressum ad eam partem cylindri claudit et vaporem in alteram partem admittit, ut embolus rursus repellitur. Eodem tempore, valvula labens istam partem cylindri quae primo vaporem accepit, ut vapor exhaustus embolo redeunte eiciatur. Quoniam axis uncatus (qui rotam volantem volvit) ad embolum coniungitur per virgulam emboli et virgulam colligativum, ideo rota semel per gyrum volvitur quotiescunque motum prorsum et retrorsum perficit. Valvula labens ipsa "eccentrico" movetur, quod est discus in axe uncato affixus, aliquantulo extra centrum, ut motus quasi unci efficiatur, etsi per spatium brevius. Eccentricum movet virgulam quae valvulam labentem prorsum et retrorsum labi facit.

Velocitas machinae temperatur ab ingenio, gubernatro vocato, quod consistit in axe verticali, rotulis dentatis ad axem uncatum connexo, in quo summo duae alae cardinatae affixae sunt, globos graves in fines ferentes. Cum velocitas machinae augetur, quanto velocius axis gubernatri rotatur, tanto exterius et sursum globi volant, ut alae, sic elevatae, virgulas sibi coniunctas attrahunt quae vavulam strangulatricem exercentes commeatum vaporis restringant et velocitatem ita subdant.

• Bell, A. M. 1950. Locomotives. Londinii: Virtue and Company.
• Dubbel, Heinrich. 1907. Entwerfen und Berechnen der Dampfmaschinen. Ed. 2a. Berolini: Springer.
• Fröhlich, F. 1953. "Kolbendampfmaschinen." In Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau, 11. Vol. 2, p. 93 ff.
• Lardner, Dionysius. 1840. The Steam Engine Explained and Illustrated: With an Account of Its Invention. Taylor and Walton.
• Matschoss, Conrad. 1901. Geschichte der Dampfmaschine: ihre kulturelle Bedeutung, techn. Entwicklung u. ihre großen Männer. Ed 3a. Berolini. Iterum tractatus Hildesiae: Gerstenberg. ISBN 3806707200.
• Schmidt, Gustav. 1861. Theorie der Dampfmaschinen. Fribergae.
• Stuart, Robert. 1824. A Descriptive History of the Steam Engine. Londinii: J. Knight and H. Lacey.
• Wagenbreth, Otfried, Helmut Düntzsch, et Albert Gieseler. 2001. Die Geschichte der Dampfmaschine. Monasterii Germaniae: Aschendorff Verlag. ISBN 3402052644.