Motor a Vapor: Descubra Como Ele Iniciou a Primeira Revolução Industrial

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O motor a vapor é uma máquina térmica que realiza trabalho mecânico usando vapor como fluido de trabalho.

São motores de combustão interna, onde o fluido de trabalho é separado dos produtos de combustão. Fontes de calor não combustão como energia solar, energia nuclear ou energia geotérmica podem ser usadas. O ciclo termodinâmico ideal usado para analisar esse processo é chamado de ciclo Rankine.

No ciclo, a água é aquecida e transforma-se em vapor em uma caldeira operando a alta pressão. Quando expandido usando pistões ou turbinas, o trabalho mecânico é feito. O vapor de pressão reduzida é então exaurido para a atmosfera ou condensado e bombeado de volta para a caldeira.

Todas as máquinas térmicas funcionam baseadas no principio de que o calor é uma forma de energia, ou seja, pode ser utilizado para produzir trabalho e seu funcionamento obedece às leis da termodinâmica.

A turbina a vapor baseia-se no principio de expansão do vapor, gerando diminuição na temperatura e energia interna. Essa energia interna perdida pela massa de gás reaparece na forma de energia mecânica, pela força exercida contra um êmbolo.

O motor a vapor do tipo pistão alternativo permaneceu como fonte dominante de energia até o início do século XX; quando avanços no projeto de motores elétricos e motores de combustão interna resultaram na substituição de motores a vapor alternativos em uso comercial.

Considerando que a grande maioria da geração elétrica mundial é produzida por turbinas a vapor; a era do vapor continua em níveis de energia muito além daquelas da virada do século 19 e 20.

Este artigo trás a origem do motor a vapor e sua utilização, continue lendo e siba mais sobre:

História dos Motores a Vapor

Primeiras Aplicações

Motores de Condensação Atmosféricos

Componentes e Acessórios de Motores a Vapor

Configuração do Motor

História dos Motores a Vapor

Desde o inicio do século XVIII, a energia a vapor tem sido aplicada a uma variedade de usos práticos. Inicialmente, ele acionava bombas alternativas, mas a parti dos anos 1780, os motores giratórios (aqueles que convertiam movimento alternativo em movimento rotativo) começaram a aparecer, acionando máquinas de fábrica, como os teares elétricos.

O controle de velocidade em resposta à mudança de carga tornou a aplicação direta de um motor a vapor inacessível até a invenção do motor Corliss em 1848. Até então, os motores a vapor eram usados para bombear água para girar uma roda d’água, que acionava o maquinário giratório.

Na virada do século XIX, o transporte movido a vapor no mar e na terra começou a aparecer. A partir de então foi tornando-se mais dominante à medida que o século avançava.

Logo, pode se dizer que o motor a vapor foi a força motriz por trás da revolução industrial. Viram um amplo uso comercial, acionando máquinas em fábricas, usinas e minas; alimentando estações de bombeamento e propulsão de aparelhos e transporte, como; locomotivas, navios, barcos a vapor e veículos rodoviários.

Seu uso na agricultura levou a um aumento na terra disponível para o cultivo. Houve em um momento ou outro; tratores agrícolas movidos a vapor, motocicletas (sem muito sucesso) e até mesmo automóveis como o Stanley Steamer.

O peso de caldeiras e condensadores, geralmente faz com que a relação potência / peso de uma usina de vapor seja menor que a dos motores de combustão interna. Para aplicações móveis, o motor a vapor tem sido amplamente substituído por motores de combustão interna ou motores elétricos.

Preocupações recentes sobre fontes de combustíveis e poluição, provocaram um interesse renovado no vapor. Isso está se tornando conhecido como movimento de vapor avançado.

Usos Adiantados do Motor a Vapor

A primeira máquina a vapor rudimentar registrada foi a aeolipile; descrita por um matemático e engenheiro chamado Heron de Alexandria, no Egito romano do século I, conforme registrado em seu manuscrito Spiritalia seu Pneumática. O vapor ejetado tangencialmente dos bicos fez com que uma esfera girasse. Entretanto, sua eficiência técnica foi baixa.

Heron também inventou uma máquina que usava ar aquecido em um fogo de altar para deslocar uma quantidade de água em um vaso fechado. O peso da água foi feito para puxar uma corda escondida para operar as cordas do templo. Alguns historiadores confundiram as duas invenções para afirmar, incorretamente, que o eolipile era capaz de trabalho útil.

Segundo Guilherme de Malmesbury, em 1125, Reims era o lar de uma igreja que tinha um órgão movido a ar que escapava da compressão “pela água aquecida”. Aparentemente projetado e construído pelo professor Gerbertus.

Entre os trabalhos de Leonardo Da Vinci datados do final do século XV, está o projeto de um canhão movido a vapor chamado Architonnerre. Ele funcionava pelo repentino influxo de água quente em um canhão selado e quente.

Uma turbina a vapor de impacto rudimentar foi descrita em 1551 por Taqi al-Din, um filósofo, astrônomo e engenheiro do Egito otomano do século XVI, que descreveu um método para girar um espeto por meio de um jato de vapor girando em torno da periferia de uma roda.

Um dispositivo semelhante para girar um espeto também foi descrito mais tarde por John Wilkins em 1648. Esses dispositivos eram chamados de “moinhos”, mas agora são conhecidos como macacos de vapor.

Início do Século XVII

Outra turbina a vapor rudimentar semelhante é mostrada por Giovanni Branca, um engenheiro italiano, em 1629; por transformar um dispositivo de escapamento cilíndrico que alternadamente levantou e deixou cair um par de pilões trabalhando em morteiros.

O fluxo de vapor dessas primeiras turbinas a vapor, no entanto, não estava concentrado e a maior parte de sua energia era dissipada em todas as direções. Isso levaria a um grande desperdício de energia e, portanto, nunca foram seriamente consideradas para uso industrial.

Em 1605, o matemático Frances Florence Rivault, em seu trabalho de artilharia escreveu em sua descoberta que a água, se confinada em uma bomba e aquecida, explodiria as conchas.

Em 1606, o espanhol Jerónimo de Ayanz e Beaumont demonstrou e obteve patente de uma bomba de água a vapor. A bomba foi usada com sucesso para drenar as minas inundadas de Guadalcanal, na Espanha.

Desenvolvimento do Motor a Vapor Comercial

As descobertas que, quando reunidas por Thomas Newcomen em 1712, resultaram na máquina a vapor foram:

  • O concito de vácuo (isto é, uma redução da pressão abaixo do ambiente)
  • O conceito de pressão
  • Técnicas para criar um vácuo
  • Um meio para gerar vapor
  • O pistão e o cilindro

Em 1643, Evangelista Torricelli conduziu experimentos em bombas de água de sucção para testar seus limites, que eram de cerca de dez metros. A pressão atmosférica é de 10,03 metros. A pressão de vapor da água reduz a altura de sustentação teórica.

Ele inventou um experimento usando um tubo cheio de mercúrio e invertido em uma tigela de mercúrio (um barômetro) e observou um espaço vazio acima da coluna de mercúrio, que ele teorizou não continha nada, ou seja, um vácuo.

Influenciado por Torricelli, Otto Von Guericke inventou uma bomba de vácuo modificando uma bomba de ar comprimido. Guericke fez uma demonstração em 1654 em Magdeburgo, na Alemanha, onde era prefeito.

Dois hemisférios de cobre foram colocados juntos e o ar foi bombeado para fora. Pesos amarrados aos hemisférios não conseguiam separá-los até que a válvula de ar fosse aberta. O experimento foi repetido em 1656, usando duas equipes de oito cavalos cada, que não podiam separar os hemisférios de Magdeburgo.

Edward Somerset

Em 1663, Edward Somerset, segundo marquês de Worcester, publicou um livro de 100 invenções que descrevia um método para elevar a água entre andares; empregando um principio semelhante ao de um coador de café.

Seu sistema foi o primeiro a separar a caldeira da ação de bombeamento. A água foi admitida em um cano reforçado a partir de uma cisterna e em seguida, uma válvula foi aberta para permitir a entrada de vapor de uma caldeira separada.

A pressão foi construída sobre o topo da água, elevando-a por um cano. Ele instalou seu dispositivo na parede da grande torre no castelo de Raglan para fornecer água através da torre. Os sulcos na parede onde o motor foi instalado ainda podiam ser vistos no século XIX.

No entanto, ninguém estava preparado para arriscar dinheiro para um conceito tão revolucionário e sem apoios, a máquina continuava subdesenvolvida.

Cilindros

Denis Papin (22 de agosto de 1647 – 1712) foi um físico, matemático e inventor Francês. Ele ficou mais conhecido por sua invenção pioneira do digestor a vapor, o precursor da panela de pressão.

Em meados da década de 1670, Papin colaborou com o físico holandês Christiaan Huyges em um motor que expeliu o ar de um cilindro, explodindo pólvora dentro dele.

Percebendo a incompletude do vácuo produzido por este meio e ao mudar para a Inglaterra em 1680, Papin inventou uma versão do mesmo cilindro que obteve um vácuo mais completo da água fervente e então permitiu que o vapor condensasse. Desta forma, ele foi capaz de levantar pesos, anexando a extremidade do pistão a uma corda passando sobre uma polia.

Como modelo de demonstração, o sistema funcionava, mas, para repetir o processo, todo o aparato tinha que ser desmontado e remontado. Papin viu rapidamente que, para fazer um ciclo automático, o vapor teria que ser gerado separadamente em uma caldeira; no entanto, ele não levou o projeto adiante.

Papin também projetou um barco a pás, impulsionado por um jato, em uma roda de moinho. Uma combinação das concepções de Taqi AL Din e Savery. Ele também é creditado com vários dispositivos significativos, como a válvula de segurança.

Os anos de pesquisa de Papin sobre os problemas de aproveitamento do vapor; desempenharam um papel fundamental no desenvolvimento dos primeiros motores industriais de sucesso que logo seguiram sua morte.

Bomba de Vapor de Savery

O primeiro motor a vapor aplicado industrialmente foi o “motor de fogo” ou “amigo do mineiro”, projetado por Thomas Savery em 1698.

Tratava-se de uma bomba a vapor sem pistão, semelhante à desenvolvida por Worcester. Savery fez duas contribuições importantes que melhoraram muito a praticidade de design.

Primeiro, a fim de permitir que o suprimento de água fosse colocado abaixo do motor a vapor, ele usou vapor condensado para produzir um vácuo parcial no reservatório de bombeamento e usando isso para puxar a água para cima. Em segundo lugar, a fim de resfriar rapidamente o vapor para produzir o vácuo, ele correu água fria sobre o reservatório.

A operação exigiu várias válvulas; quando o reservatório estava vazio no inicio de um ciclo, uma válvula foi aberta para admitir vapor. A válvula foi fechada para vedar o reservatório e a válvula de água de resfriamento foi ligada para condensar o vapor e criar um vácuo parcial.

Uma válvula de abastecimento foi aberta, puxando a água para cima no reservatório e o motor a vapor típico podia puxar água até 20 pés. Isto foi fechado e a válvula de vapor reabriu; construindo pressão sobre a água e bombeando-a para cima, como no projeto de worcester.

O mecanismo resolveu um problema que só recentemente se tornara sério. Elevando a água das minas no sul da Inglaterra à medida que alcançavam maiores profundidades.

O motor da Savery não era muito seguro porque parte de seu ciclo exigia vapor sob pressão fornecida por uma caldeira e dada a tecnologia do período o vaso de pressão não podia ser suficientemente forte e, portanto, estava propenso a explosão.

Primeiras Aplicações

Uma das primeiras aplicações do motor a vapor foi para fabricação de tecidos; onde a água acumulada nas minas de ferro e de carvão era aquecida para gerar vapor. Graças a essas máquinas, a produção de mercadorias aumentou muito. E os lucros dos burgueses donos de fábricas cresceram na mesma proporção. Por isso, os empresários ingleses começaram a investir na instalação de indústrias.

Fábricas se espalharam rapidamente e provocaram mudanças tão profundas que os historiadores atuais chamam aquele período de Primeira Revolução Industrial. O modo de vida e a mentalidade de milhões de pessoas se transformaram, numa velocidade espantosa.

As máquinas a vapor bombeavam a água para fora das minas de carvão. Eram tão importantes quanto às máquinas que produziam tecidos. As carruagens viajavam a 12 quilômetros por hora e os cavalos, quando cansavam tinham de serem trocados durante o percurso.

Um trem da época alcançava 45 quilômetros por hora e podia seguir centenas de quilômetros. Assim, a revolução industrial tornou o mundo mais veloz. Como essas máquinas substituíram a força dos cavalos, convencionou-se medir a potência desses motores em HP (do inglês horse power, “cavalo-força”).

Motores de Condensação Atmosféricos

Novo Motor Atmosférico

Foi Thomas Newcomen com seu motor atmosférico de 1712, que pode ser considerado como tendo reunido a maioria dos elementos essenciais estabelecidos por Papin para desenvolver o primeiro motor a vapor prático para o qual poderia haver uma demanda comercial.

Isso tomou a forma de um mecanismo de feixe alternativo. Instalado no nível da superfície, acionava uma sucessão de bombas em uma das extremidades do feixe. O motor a vapor, preso por correntes da extremidade do feixe, funcionava no principio atmosférico ou vácuo.

O design de Newcomen usou alguns elementos de conceitos anteriores. Como o projeto de Savery, o motor de Newcomen usava vapor, resfriado com água, para criar vácuo. Diferentemente da bomba de Savery, no entanto, Newcomen usou o vácuo para puxar um pistão em vez de puxar diretamente a água.

A extremidade superior do cilindro estava aberta a pressão atmosférica. Quando o vácuo se forma, a pressão atmosférica acima do pistão empurrava-o para dentro do cilindro. O pistão foi lubrificado e selado por uma gota de água da mesma cisterna que abastecia a água de resfriamento. Além disso, para melhorar o efeito de resfriamento, ele pulverizou água diretamente no cilindro.

John Smeaton fez numerosas melhorias no motor de Newcomen, normalmente os selos e ao melhorar estes quase triplicou sua eficiência. Ele também preferiu usar rodas em vez de vigas para transferir energia do cilindro, o que tornou seus motores mais compactos.

Smeaton foi o primeiro a desenvolver uma teoria rigorosa do projeto de operação de motores a vapor. Ele trabalhou para trás a partir do papel pretendido para calcular a quantidade de energia necessária para a tarefa. O tamanho e a velocidade de um cilindro que o forneceria, o tamanho da caldeira necessária para alimentá-lo e a quantidade de combustível que consumiria.

Condensador Separado de Watt

Enquanto trabalhava na universidade de Glasgow como instrumentista e reparador em 1759, James Watt foi introduzido ao motor a vapor pelo professor John Robinson. Fascinado, watt começou a ler tudo o que podia sobre o assunto e desenvolveu independentemente o conceito de calor latente; publicado recentemente por Joseph Black na mesma universidade.

Quando Watt soube que a universidade possuía um pequeno modelo de funcionamento de um motor de Newcomen, ele pressionou para que ele voltasse de Londres, onde estava sendo reparado sem sucesso. Watt consertou a máquina, mas descobriu que ela mal funcionava mesmo quando totalmente consertada.

Depois de trabalhar com o projeto, Watt concluiu que 80% do vapor usado pelo motor foi desperdiçado. Em vez de fornecer força motriz, ela estava sendo usada para aquecer o cilindro.

No motor de Newcomen, o calor era fornecido apenas pelo vapor; assim, quando a válvula de vapor era aberta novamente, a grande maioria se condensava nas paredes frias, assim que era admitida no cilindro. Levou uma quantidade considerável de tempo e vapor, antes do cilindro aquecer de volta e o vapor começar a enchê-lo.

Watt resolveu o problema do spray de água removendo a água fria para um cilindro diferente, colocado ao lado do cilindro de energia. Quando o curso de indução estava completo; uma válvula era aberta entre os dois e qualquer vapor que entrasse no cilindro se condensaria dentro desse cilindro frio.

Isso criaria um vácuo que puxaria mais vapor para o cilindro e assim por diante até que o vapor fosse condensado.

Convencido de que esse era um avanço, a watt fez parcerias para fornecer capital de risco enquanto trabalhava no projeto. Watt trabalhou incansavelmente em uma série de outras melhorias para praticamente todas as partes do motor.

Motores Watt de Dupla Ação e Rotação

A Watt desenvolveu um motor de dupla ação no qual o vapor impulsionou o pistão em ambas as direções, aumentando assim velocidade e eficiência do motor. O principio de dupla ação também aumentou significativamente a produção de um determinado motor de tamanho físico.

A Boulton & Watt desenvolveu o motor a vapor recíproco no tipo rotativo. Ao contrario do motor Newcomen, o motor Watt podia operar suavemente o suficiente para ser conectado a um eixo de acionamento – por meio de engrenagens solares e planetária – para fornecer potências rotativas juntamente com cilindros de condensação de dupla ação.

Os primeiros motores a vapor não ofereciam velocidade suficiente para operações críticas, como a fiação de algodão. Para controlar a velocidade, o motor era usado para bombear água para uma roda d’água, que acionava o maquinário.

Motores de Alta Pressão

Com o avanço do século XVIII, o chamado era por pressões mais altas; isso foi fortemente resistido por Watt que usou o monopólio que sua patente lhe deu para evitar que outros construíssem motores de alta pressão e os usassem em veículos.

As vantagens importantes dos motores de alta pressão foram:

  1. Eles poderiam ser feitos muito menores do que anteriormente para uma determinada potência. Havia, portanto o potencial para o desenvolvimento de motores a vapor que eram pequenos e poderosos o suficiente para impulsionar a si mesmos e a outros objetos. Como resultado, a energia a vapor para o transporte agora se tornou uma prática na forma de navios e veículos terrestres, que revolucionou os negócios de carga, as viagens, a estratégia militar e, essencialmente, todos os aspectos da sociedade.
  2. Por causa do seu tamanho menor, eles eram muito menos caros.
  3. Eles não exigiam quantidades significativas de água de resfriamento do condensador necessário para os motores atmosféricos.
  4. Eles podem ser projetados para rodar em velocidades mais altas, tornando-os mais adequados para o acionamento de máquinas.

As desvantagens eram:

  1. Na faixa de baixa pressão, eles eram menos eficientes que os motores de condensação, especialmente se o vapor não fosse usado de forma expansiva.
  2. Eles eram mais suscetíveis a explosões de caldeiras.

O primeiro motor de alta pressão foi inventado em 1800 por Richard Trevithick.

A importância de elevar o motor sob pressão é que ele atinge uma temperatura mais alta. Assim qualquer motor que use vapor de alta pressão opera a uma temperatura e diferencial mais altas do que é possível com um motor a vácuo de baixa pressão.

Motor da Cornualha e Composição

O motor da Cornualha foi desenvolvido por Trevithick e outros na década de 1810.

Por volta de 1811, Richard Trevithick foi solicitado a atualizar um motor de bombeamento Watt para adaptá-lo a uma de suas novas caldeiras cilíndricas da Cornualha.

Quando Trevithick partiu para a América do Sul em 1816, suas melhorias foram continuadas por William Sims. Paralelamente Arthur Woof desenvolveu um motor composto com dois cilindros. Deste modo o vapor se expandiu em um cilindro de alta pressão antes de ser liberado em um de baixa pressão. A eficiência foi melhorada por Samuel Groase, que isolou a caldeira, o motor e os canos.

A pressão de vapor acima do pistão foi aumentada e agora forneceu grande parte da energia para o curso descendente; ao mesmo tempo, a condensação foi melhorada. Isto elevou consideravelmente a eficiência. Os motores de bombeamento adicionais no sistema Cornish, continuaram a ser construídos de novo ao longo do século XIX. Os motores Watt mais antigos foram atualizados para se adequarem.

A absorção dessas melhorias na Cornualha foi lenta nas áreas de manufatura têxtil; onde o carvão era barato, devido ao maior custo de capital dos motores e ao maior desgaste que eles sofreram. A mudança só começou na década de 1930, geralmente através da adição de outro cilindro de alta pressão.

Muitos desses motores foram fornecidos em todo o mundo. Deram um serviço confiável e eficiente ao longo de muitos anos com um consumo de carvão bastante reduzido. Alguns deles eram muito grandes e o tipo continuou a ser construído até a década de 1890. Os motores da Cornualha foram usados em minas e no abastecimento de água.

Motor a Vapor Estacionário Horizontal

Os primeiros construtores de motores a vapor estacionários consideravam que os cilindros horizontais estariam sujeitos a desgaste excessivo. Seus motores foram, portanto, dispostos com o eixo vertical do pistão. Com o tempo, o arranjo horizontal tornou-se mais popular, permitindo que motores compactos, mas potentes, fossem instalados em espaços menores.

O auge do motor horizontal era o motor a vapor Corliss, patenteado em 1849, considerado a maior melhoria desde James Watt. O motor Corliss melhorou muito o controle de velocidade e eficiência, tornando-o adequado para todos os tipos de aplicações industriais.

Corliss usou portas separadas para o fornecimento de vapor e exaustão. O que impediu que a exaustão arrefecesse a passagem usada pelo vapor quente. O Corliss também usou válvulas parcialmente giratória que proporcionaram uma ação rápida, ajudando a reduzir as perdas de pressão.

As próprias válvulas também eram uma fonte de atrito reduzido; especialmente em comparação com a válvula de gaveta, que normalmente usava 10% da potência de um motor.

Corliss usou o corte automático variável. A engrenagem da válvula controlava a velocidade do motor usando o regulador para variar o tempo de corte.

Isso foi parcialmente responsável pela melhoria da eficiência. Além de usar 30% menos vapor, forneceu uma velocidade mais uniforme devido ao corte variável de vapor; tornando-o adequado para fabricação, especialmente a fiação de algodão.

Motor a Vapor de Alta Velocidade Porter-Allen

O motor Porter-Allen, introduzido em 1862, usava um avançado mecanismo de engrenagens de válvulas desenvolvido para Poter, por Allen. Um mecânico de excepcional capacidade e foi inicialmente conhecido como o motor Allen. O motor a vapor de alta velocidade era uma máquina de precisão bem equilibrada; realizações possibilitadas pelos avanços em máquinas-ferramenta e tecnologia de fabricação.

O motor de alta velocidade operava com velocidades de pistão de três a cinco vezes a velocidade dos motores comuns. Também tinha baixa variabilidade de velocidade. O motor de alta velocidade foi amplamente utilizado em serrarias para alimentar serras circulares. Mais tarde foi usado para geração elétrica.

O motor tinha várias vantagens. Pode, em alguns casos, ser diretamente acoplado. Se as engrenagens ou cintos e tambores fossem usados, eles poderiam ter tamanhos muito menores. O próprio motor também era pequeno para a quantidade de energia que ele desenvolvia.

Porter melhorou muito o regulador fly-bal reduzindo o peso rotativo e adicionando um peso ao redor do eixo. Isso melhorou significativamente o controle de velocidade. Governador de Porter tornou-se o principal tipo em 1880.

A eficiência do motor Porter-Allen era boa, mas não igual ao motor Corliss.

Veículos Rodoviários

A primeira estrada a vapor experimental movida a vapor foi construída no final do século XVIII, mas somente depois que Richard Trevithick desenvolveu o uso de vapor de alta pressão por volta de 1800 que as locomotivas a vapor móveis as tornaram uma proposta prática.

A primeira metade do século XIX viu um grande progresso no design de veículos a vapor. Na década de 1850, estava se tornando viável para produzi-los em bases comerciais. Este progresso foi atenuado pela legislação que limitava ou proibia o uso de veículos movidos a vapor nas estradas.

Entretanto, as melhorias na tecnologia de veículos continuaram na década de 1860 até a década de 1920. Veículos rodoviários a vapor foram utilizados para muitas aplicações.

No século XX, o rápido desenvolvimento da tecnologia dos motores de combustão interna levou ao desaparecimento do motor a vapor como fonte de propulsão de veículos em uma base comercial, com relativamente poucos remanescentes em uso além da segunda guerra mundial. Muitos destes veículos foram adquiridos por entusiastas para preservação e numerosos exemplares ainda existem.

Motores marinhos

Perto do final do século XIX, os motores compostos entraram em uso generalizado. Os motores compostos esgotaram o vapor em cilindros sucessivamente maiores para acomodar os volumes mais altos a pressões reduzidas, proporcionando maior eficiência.

Esses estágios eram chamados de expansões dupla e tripla sendo comuns, especialmente no transporte marítimo, onde a eficiência era importante para reduzir o peso do carvão transportado.

Os motores a vapor continuaram a ser a fonte dominante de energia até o inicio do século XX, quando os avanços no projeto de motores elétricos e motores de combustão interna gradualmente resultaram na substituição de motores a vapor recíprocos (pistão) sobre a turbina a vapor.

Locomotivas a Vapor

Como o desenvolvimento das máquinas a vapor progrediu ao longo do século XVIII, várias tentativas foram feitas para aplicá-las ao uso rodoviário e ferroviário. Em 1784, William Murdoch, um inventor escocês, construiu um protótipo de locomotiva a vapor. Um modelo de trabalho inicial de uma locomotiva a vapor foi projetado e construído pelo pioneiro John Fitch nos Estados Unidos; provavelmente durante a década de 1780 ou 1790. Sua locomotiva a vapor usava rodas com lâminas internas guiadas por trilhos.

A primeira locomotiva a vapor ferroviária em grande escala foi construída por Richard Trevithick no Reino Unido. Em 21 de fevereiro de 1804, a primeira viagem de trem, no mundo, aconteceu quando a locomotiva a vapor de Trevithick transportou um trem ao longo do bondinho siderurgia; perto de Merthyr Tydfil para Aberecynon no Sul do Pais de Gales.

O projeto incorporou várias inovações importantes que incluíram o uso do vapor de alta pressão, que reduziu o peso do motor e aumentou sua eficiência. Trevithick visitou a área de Newcastle mais tarde, em 1804. As ferrovias das minas de carvão no nordeste da Inglaterra se tornaram o principal centro de experimentação e desenvolvimento de locomotiva a vapor.

As locomotivas a vapor continuaram a ser fabricadas até o final do século XX, em lugares como China e a antiga Alemanha Oriental.

Turbinas a Vapor

A última grande evolução do projeto do motor a vapor foi o uso de turbinas a vapor a partir do final do século XIX. As turbinas a vapor são geralmente mais eficientes do que os motores de pistão alternativo (para saídas de várias centenas de cavalos de potência). Possuem menos peças móveis e fornecem energia rotativa diretamente em vez de um sistema de biela ou similar.

As turbinas a vapor, praticamente substituíram os motores alternativos nas estações geradoras de eletricidade, no inicio do século XX; onde sua eficiência, maior velocidade apropriada ao serviço do gerador e rotação suave eram vantagens.

Hoje, a maior parte da energia é fornecida por turbinas a vapor. As turbinas a vapor foram amplamente aplicadas para a propulsão de navios de grande porte durante a maior parte do século XX.

Componentes e Acessórios de Motores a Vapor

Existem dois componentes fundamentais de uma instalação de vapor: a caldeira ou o gerador de vapor e a unidade do motor, referida como motor a vapor. Os motores a vapor estacionários em edifícios fixos podem ter a caldeira e o motor em edifícios separados distantes uns dos outros. Para uso portátil ou móvel, como locomotivas a vapor, os dois são montados juntos.

O motor alternativo amplamente utilizado, consistia tipicamente de um cilindro de ferro fundido, pistão biela e viga ou uma manivela e volante e diversas ligações. O vapor era alternadamente fornecido e exaurido por uma ou mais válvulas. O controle de velocidade era automático, usando um regulador ou uma válvula manual. A carcaça do cilindro continha portas de exaustão e fornecimento de vapor.

Motores equipados com um condensador são um tipo separado daqueles que escapam para a atmosfera.

Outros componentes estão frequentemente presentes: bombas para fornecer água para a caldeira durante a operação; condensadores para circular a água e recuperar o calor latente de vaporização; e super aquecedores para elevar a temperatura do vapor acima de seu ponto de vapor saturado.

Quando o carvão é usado, um mecanismo de alimentação por corrente ou por parafuso e seu motor ou motor de acionamento podem ser incluídos para mover o combustível de uma caixa de abastecimento para a fornalha.

Fonte de Calor

O calor necessário para ferver a água e elevar a temperatura do vapor pode ser derivado de varias fontes. Mais comumente da queima de materiais combustíveis com um suprimento adequado de ar em um espaço fechado. Chamado de câmara de combustão, fornalha, forno.

Em alguns casos, a fonte de calor é um reator nuclear, energia geométrica, energia solar ou calor residual de um motor de combustão interna ou processo industrial. No caso do motor a vapor modelo ou brinquedo, a fonte de calor pode ser um elemento de aquecimento elétrico.

Caldeiras

Caldeiras são vasos de pressão que contêm água a ser fervida e recursos que transferem o calor para a água de maneira mais eficiente possível.

Os tipos mais comuns são:

  1. Caldeira de tubo de água – a água é passada através de tubos cercados por gás quente.
  2. Caldeira de tubo de fogo – gás quente é passado através de tubos imersos em água. A mesma água também circula em uma camisa de água ao redor da fornalha. Em caldeiras de locomotivas de alta potência, também passa por tubos na própria fornalha.

As caldeiras de tubo de fogo eram o principal tipo utilizado para o vapor de alta pressão (típica pratica de locomotiva a vapor), mas foram deslocadas em grande parte por caldeira de tubo de água mais econômicas no final do século XIX, para propulsão marítima e grandes aplicações estacionárias.

Muitas caldeiras aumentaram a temperatura do vapor, depois de ter deixado a parte da caldeira onde está em contato com a água. Conhecido como superaquecimento, transforma o vapor úmido em vapor superaquecido. Evita a condensação de vapor nos cilindros do motor e proporciona uma eficiência significativamente maior.

Unidades Motoras

Em um motor a vapor, um pistão ou turbina a vapor ou qualquer outro dispositivo semelhante para fazer trabalho mecânico recebe um suprimento de vapor a alta pressão e temperatura e fornece uma fonte de vapor a baixa pressão e temperatura, usando a maior diferença de vapor energia quanto possível para fazer trabalho mecânico.

Essas unidades motoras costumam ser chamadas de “máquinas a vapor” por direito próprio. Motores que usam ar comprimido ou outros gases diferem dos motores a vapor somente em detalhes que dependem da natureza do gás, embora o ar comprimido tenha sido usado em motores a vapor sem alteração.

Pia Fria

Tal como acontece com todos os motores térmicos, a maioria da energia primaria deve ser emitida como calor residual a uma temperatura relativamente baixa.

O dissipador mais simples é ventilar o vapor para o meio ambiente. Isso é frequentemente usado em locomotivas a vapor, pois o vapor é liberado pela chaminé para aumentar o consumo do fogo, o que aumenta bastante a potência do motor, mas reduz a eficiência.

Às vezes, o calor residual é útil e nesses casos, é possível obter uma eficiência geral muito alta.

Bomba de Água

O ciclo Rankine e os motores a vapor mais práticos têm uma bomba de água para reciclar ou reabastecer a água da caldeira, para que possam funcionar continuamente. Caldeiras utilitárias e industriais geralmente usam bombas centrifugas de múltiplos estágios, no entanto, outros tipos são usados.

Outro meio de fornecer água de alimentação da caldeira de baixa é um injetor, que usa um jato de vapor normalmente fornecido pela caldeira. Injetores tornaram-se populares na década de 1850, mas não são mais amplamente usados, exceto em aplicações como locomotivas a vapor.

É a pressurização da água que circula através da caldeira a vapor, que permite que a água seja elevada a temperaturas bem acima de 100° C, ponto de ebulição da água, a uma pressão atmosférica e assim aumentar a eficiência do ciclo do vapor.

Monitoramento e Controle

Por razões de segurança, quase todos os motores a vapor estão equipados com mecanismos para monitorar a caldeira; como um medidor de pressão e um visor para monitorar o nível da água.

Muitos motores, estacionários e móveis, também são equipados com um regulador para regular a velocidade do motor, sem a necessidade de interferência humana.

O instrumento mais útil para analisar o desempenho dos motores a vapor é o indicador do motor a vapor. Versões antigas estavam em uso em 1851, mas o indicador de maior sucesso foi desenvolvido para o inventor e fabricante de motores de alta velocidade Charles Porter por Charles Richard e exibido na exposição de Londres em 1862.

Foi rotineiramente usado por engenheiros, mecânicos e inspetores seguros. O indicador do motor a vapor também pode ser usado em motores de combustão interna.

Regulador Centrifugo

O regulador centrífugo foi adotado por James Watt para uso em uma locomotiva a vapor em 1788; depois que a parceria de Watt, Boulton, viu um deles no equipamento de um moinho de farinha que a Boulton & Watt estava construindo.

O regulador não conseguiu manter uma velocidade definida, porque assumiria uma nova velocidade constante em resposta a mudança de carga. O regulador foi capaz de lidar com variações menores, como as causadas pela flutuação da carga de calor na caldeira.

Além disso, houve uma tendência de oscilação sempre que houve uma mudança de velocidade. Como consequência, os motores equipados apenas com este regulador não eram adequados para operações que exigem velocidade constante, como a fiação de algodão.

O regulador foi melhorado ao longo do tempo e juntamente com corte variável de vapor, um bom controle de velocidade em resposta a mudanças na carga foi atingido perto do final do século XIX.

Carcaça

Feita de aço fundido e usinado internamente, montada na horizontal. A espessura da carcaça pode ultrapassar 150 milímetros na região de alta pressão. A função da carcaça é conter todo o conjunto rotativo composto pelo eixo e pelas palhetas e adicionar os bocais fixos.

Embora a função seja simples, o projeto mecânico da carcaça é bastante complexo e critico para o bom funcionamento da turbina a vapor. A principal razão disso, é a alta temperatura que a turbina funciona e as pequenas folgas entre as partes fixas e as partes rotativas.

Quando o vapor entra na turbina, a alta temperatura ocorre uma grande dilatação do material; que pode facilmente exceder 15 milímetros dependendo do tamanho da turbina. Quando ocorre esta dilatação, há o risco de as folgas entre as partes fixas e moveis serem reduzidas a ponto de haver roçamento e consequentemente desgaste ou mesmo ruptura das palhetas.

Mancais

Na carcaça são montados um conjunto de 2 a 4 mancais, dependendo do tamanho da turbina. Os mancais podem ser:

  • De guia: são os que suportam o peso do eixo e o carregamento radial. Além disso, permitem que ele tenha movimento giratório livre de atrito.
  • De escora suportam a carga axial decorrente do choque do vapor com as palhetas. É montado no sentido horizontal.

Os mancais de turbinas a vapor não usam rolamentos. Eles são do tipo hidrodinâmico, em que o eixo flutua sobre um filme de óleo em alta pressão que é causado pelo próprio movimento do eixo, relativo à parede do mancal.

O mancal também tem um sistema de selagem de óleo e de vapor. Este sistema de selagem impede que vapores de óleo ou de água passem da turbina para o ambiente. Normalmente o sistema é constituído de uma série de labirintos que provocam uma perda de carga no fluxo de vapor; reduzindo assim o vazamento.

Rotor

O rotor é a parte girante da turbina e responsável pela transmissão do torque ao acoplamento. No rotor são fixadas as palhetas, responsáveis pela extração de potência mecânica do vapor. O rotor é suportado pelos mancais, normalmente pelas extremidades. É fabricado com aços ligados e forjados.

Os materiais que são empregados atualmente são ligas com altos percentuais de níquel, cromo ou molibdênio. Nas máquinas mais modernas, são feitos a partir de um lingote fundido a vácuo e depois forjado.

O eixo deve ser cuidadosamente balanceado e livre de imperfeições superficiais, que podem funcionar com concentradoras de tensões. Reduzindo assim a resistência à fadiga do eixo.

Em uma das extremidades do eixo é feito o acoplamento, seja a um gerador elétrico, ou a uma máquina de fluxo como um ventilador um compressor ou uma bomba. Mas, devido a necessidade de se obter uma rotação diferente no acoplamento, muitas vezes o eixo é ligado a uma caixa redutora de velocidade, onde a rotação da turbina é aumentada ou reduzida, para ser transmitida ao acoplamento.

Palhetas

As palhetas são perfis aerodinâmicos, projetados para que se obtenha em uma das faces uma pressão positiva e na outra face uma pressão negativa. Da diferença de pressão entre as duas faces é obtida uma força resultante; que é transmitida enfim ao eixo gerando o torque do eixo.

Labirintos

Os labirintos são peças aplicadas em turbinas a vapor com a finalidade de vedar a carcaça sem atritar. São fabricados na grande maioria em alumínio e são bipartidos radialmente para facilitar a manutenção da máquina. Internamente, eles são aplicados para garantir o rendimento da turbina.

Nos casos em que há mais de um motor; o vapor não pode se dissipar dentro da carcaça para não perder energia e baixar o rendimento da máquina. Os labirintos também são utilizados na vedação da carcaça em relação ao ambiente externo, evitando também a dissipação do vapor para a atmosfera.

Configuração do Motor

Motor a Vapor Simples

Em um motor simples, a carga de vapor passa por todo o processo de expansão em um cilindro individual, embora um motor a vapor simples possa ter um ou mais cilindros individuais. Em seguida, ele é exaurido diretamente na atmosfera ou em um condensador.

À medida que o vapor se expande ao passar por um motor de alta pressão, sua temperatura cai porque não há calor sendo adicionado ao sistema; isto é conhecido como expansão adiabática e resulta em vapor entrando no cilindro de alta temperatura e deixando a baixa temperatura. Isso causa um ciclo de aquecimento e resfriamento do cilindro a cada curso, o que é uma fonte de ineficiência.

A perda de eficiência dominante nos motores a vapor recíprocos é a reevaporação do cilindro. O cilindro de vapor e as partes / portas metálicas adjacentes, operam a uma temperatura próxima da metade da temperatura de saturação da admissão de vapor e da temperatura de saturação correspondente a pressão de exaustão.

Como o vapor de alta pressão é admitido no cilindro de trabalho, muito do vapor de alta temperatura é considerado como gotículas de água nas superfícies de metal; reduzindo significativamente o vapor disponível para o trabalho expansivo.

Quando o vapor em expansão atinge baixa pressão, as gotículas de água previamente depositadas que acabaram de ser formadas dentro do cilindro / portas agora evaporam e se esse vapor não funciona mais no cilindro.

Motor a Vapor Composto

Um método para diminuir a magnitude de perda de energia para um cilindro muito longo foi inventado em 1804; pelo engenheiro britânico Arthur Woolf, que patenteou seu motor composto de alta pressão Woolf em 1805.

No motor a vapor composto, o vapor de alta pressão da caldeira se expande em um cilindro de alta pressão (HP) que depois entra em um ou mais cilindros subsequentes de pressão baixa (LP). A expansão completa do vapor agora ocorre em vários cilindros, com a queda geral de temperatura dentro de cada cilindro reduzida consideravelmente.

Ao expandir o vapor em etapas com menor intervalo de temperatura dentro de cada cilindro, a questão da eficiência de condensação e reevaporação é reduzida. Isso reduz a magnitude do aquecimento e resfriamento do cilindro, aumentando a eficiência do motor. Encenando a expansão em múltiplos cilindros, variações de torque podem ser reduzidas.

Para obter um trabalho igual do cilindro de baixa pressão, é necessário um volume maior do cilindro, pois esse vapor ocupa um volume maior. Portanto, o furo e, em casos raros, o curso, são aumentados em cilindros de baixa pressão, resultando em cilindros maiores.

Os motores de expansão dupla, geralmente conhecidos como compostos, expandiram o vapor em dois estágios. Os pares podem ser duplicados ou o trabalho do cilindro grande de baixa pressão pode ser dividido com um cilindro de alta pressão em um ou outro, dando um layout de três cilindros onde o diâmetro do cilindro e do pistão é quase o mesmo, tornando as massas recíprocas mais fáceis de balancear.

Compostos de dois cilindros podem ser organizados como:

  • Compostos cruzados: Os cilindros estão lado a lado.
  • Compostos tandem: Os cilindros são de ponta a ponta, conduzindo uma biela comum.
  • Compostos angulares: Os cilindros são dispostos em V(geralmente em ângulo de 90°) e acionam uma manivela comum.

Mecanismos de Expansão Múltipla

É uma extensão lógica do mecanismo composto para dividir a expansão em ainda mais estágios para aumentar a eficiência. O resultado é o mecanismo de expansão múltipla. Esses motores usam três ou quatro estágios de expansão e são conhecidos como motores de extensão tripla ou quádrupla, respectivamente.

Esses motores usam uma série de cilindros de diâmetro progressivamente crescente. Esses cilindros são projetados para dividir o trabalho em partes iguais para cada estágio de expansão. Tal como acontece com o motor a vapor de expansão dupla, se o espaço é um prêmio, então dois cilindros menores podem ser usados para o estágio de baixa expansão.

Mecanismos de expansão múltipla normalmente tinham os cilindros dispostos em linha, mas várias outras formações foram usadas. No final do século XIX, o sistema de equilíbrio Yarrow-Schlick-Teedy foi usado em alguns motores marinhos de expansão tripla. Os motores YST dividiram os estágios de expansão de baixa pressão entre dois cilindros, um em cada extremidade do motor.

Isso permitiu que o virabrequim fosse mais bem balanceado; resultando em um motor a vapor mais suave e de resposta mais rápida, que funcionava com menos vibração. Isso tornou o motor de quatro cilindros de expansão tripla popular entre os grandes passageiros, mas isso acabou sendo substituído pelo motor de turbina virtualmente livre de vibrações.

Nota se, no entanto, que os motores a vapor recíprocos de tripla expansão foram utilizados para conduzir os navios da Segunda Guerra Mundial, de longe o maior número de navios idênticos já construídos. 2700 navios foram construídos nos EUA, a partir de um projeto original britânico.

Referências

  1. Wikipédia, Motor a Vapor, disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_vapor>.
  2. Wikipédia, History of The Steam Engine, disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_steam_engine>.
  3. Wikipédia, Steam Engine, disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Steam_engine>.

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