Motor a Vapor

Motor a vapor, motor da industrialização

Motor a Vapor

O motor a vapor criou a base para a industrialização. Em apenas alguns anos ele se tornou a força de trabalho nas fábricas e minas.

Um dos primeiros motores de pistão foi desenvolvido pelo físico francês Denis Papin em 1690. Esta pequena invenção consistia de um cilindro que ao mesmo tempo servia como um boiler, movido principalmente a ar, em vez de pressão a vapor.

No final do século XVII, engenheiros como o Marquês de Worcester e Thomas Savery também construíram alguns dos primeiros motores a vapor. O motor de Savery foi usado como bomba para drenar água dos túneis de minas.

Em 1705 o inglês Thomas Newsomen desenvolveu os primeiros motores a vapor realmente eficazes com um boiler a vapor, cilindro e pistão. Neste chamado motor de viga, uma grande viga balançava para cima e para baixo, transferindo a energia do pistão que movia dentro do cilindro. Quando o pistão se levantava, o vapor entrava no cilindro e condensava; a pressão do ar forçava o pistão a descer novamente.

O engenheiro escocês James Watt aprimorou a construção de Newcomen que não tinha um custo efetivo devido à perda de calor. Ele então foi considerado o pai do motor a vapor moderno. O primeiro avanço importante de sua autoria foi a construção de um motor com um espaço separado para condensar o vapor.

Essa construção, que foi patenteada em 1769, melhorou a eficiência consideravelmente. A perda de vapor resultante do aquecimento e esfriamento do cilindro foi praticamente eliminada com este motor.

O uso de água a vapor em vez de pressão de ar nos motores de Watt também fez uma diferença fundamental. Mais tarde, Watt inventou um procedimento onde o pistão se movia para frente e para trás em um motor podendo mover um volante giratório. Ele alcançou isto primeiro com um sistema de roda dentada e mais tarde com um virabrequim. Watt ainda equipou seus motores com válvulas de estrangulamento para regular a velocidade. Ele atingiu uma velocidade constante de operação com a ajuda de governadores.

No início do século XIX, o engenheiro britânico, Richard Trevithick, e inventor americano Oliver Evans construíram o primeiro motor a vapor de alta pressão.

Trevithick usou seu modelo para dar potência a primeira locomotiva a vapor do mundo

Motor a Vapor – O que é

Uma máquina a vapor é um motor de calor que realiza um trabalho mecânico usando o vapor como seu fluido de trabalho.

Máquinas a vapor são os motores de combustão externa, onde o fluido de trabalho é separado dos produtos de combustão.

Pode ser usado fontes de calor não-combustão, como a energia solar, a energia nuclear ou energia geotérmica.

O ciclo termodinâmico ideal utilizado para analisar esse processo é designado por ciclo de Rankine. No ciclo, a água é aquecida e transforma-se em vapor dentro de uma caldeira a funcionar a uma alta pressão. Quando expandida através de pistões ou turbinas o trabalho mecânico é feito. O vapor a baixa pressão é então condensado e bombeado de volta para a caldeira.

O funcionamento da 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.

Há diversas classificações possíveis para as turbinas a vapor, mas a mais comum é dividi-las entre:

De condensação – É um sistema fechado de geração de energia. Neste, o vapor tanto atravessa a turbina fazendo-a girar como também, ao ser condensado, gera uma zona de baixa pressão no difusor de saída da turbina aumentando o giro e realimentando a caldeira com o agente para novo ciclo. É o tipo mais comum em centrais termoeléctricas e nucleares.

De contra-pressão – Assim chamado é o método mais arcaico que se pode usar numa máquina térmica. É o mesmo projeto de Heron de Alexandria usado no segundo século antes de Cristo, o sistema Contra-Pressão é similar a uma máquina a vapor conhecida pelo nome de aeolípile.

O fato do vapor não passar por um condensador ao sair da turbina, ocasiona a perda de potencia da turbina. Ele deixa a turbina ainda com certa pressão e temperatura e pode ser aproveitado em outras etapas de uma planta de processo químico, seja em aquecedores, destiladores, estufas, ou simplesmente é lançado na atmosfera. Este tipo é muito usado para acionamento ou cogeração de energia, em usinas petroquímicas, navios, plataformas de petróleo, etc…embora seja o sistema mais primitivo de captação de energia.

Construtivamente as partes principais são:

Carcaça

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

Embora a função seja simples, o projeto mecânico da carcaça é bastante complexo e crítico para o bom funcionamento da turbina a vapor. A principal razão disto, 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 mm dependendo do tamanho da turbina. Quando ocorre esta dilatação, há o risco de as folgas entre as partes fixas e móveis serem reduzidas a ponto de haver roçamento, e consequentemente, desgaste ou mesmo ruptura das palhetas.

Também, devido a grande espessura da parede, há grandes gradientes térmicos. A parte interna, em contato com o vapor, se ditata mais, devido à alta temperatura. A parte externa da parede, em contato com o ambiente, se dilata menos. Essa diferença entre a dilatação do material na parte interna e externa da parede dá origem a fortes tensões que podem causar distorção ou fadiga térmica.

Mancais

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

De guia: são os que suportam o peso do eixo e o carregamento radial. 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 causada 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 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 linguote fundido à vácuo, e depois forjado.

O eixo deve ser cuidadosamente balanceado e livre de imperfeições superficiais, que podem funcionar com concentradoras de tensões, o que reduz 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 aerodimâmicos, 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 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 bi-partidos 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 rotor, 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.

Nas turbinas de grande porte, há a injeção de vapor nos labirintos, por meio de uma tomada vinda da própria máquina, para equalizar as pressões e garantir a vedação da carcaça.

Como funcionam os motores a vapor

O motor a vapor foi o primeiro tipo de motor a ser amplamente usado. Ele foi inventado por Thomas Newcomen, em 1705, e James Watt (que lembramos a cada vez que falamos sobre lâmpadas de 60 watts) fez grandes melhorias nos motores a vapor, em 1769.

Os motores a vapor movimentaram as primeiras locomotivas, barcos a vapor e fábricas e, dessa forma, foram a base da Revolução Industrial

Funcionamento do motor a vapor

O diagrama a seguir mostra os componentes principais de um motor a vapor de pistão. Este tipo de motor seria característico numa locomotiva a vapor.

Motor a Vapor – Funcionamento

O motor mostrado é um motor a vapor de dupla atuação porque a válvula permite vapor sob alta pressão entrar alternadamente em ambos os lados do cilindro.

A válvula corrediça é responsável por permitir que o vapor em alta pressão entre em qualquer lado do cilindro. A haste de comando da válvula é geralmente conectada a uma ligação com a cruzeta, de modo que seu movimento faça a válvula funcionar deslizando. Na locomotiva a vapor, este arranjo também permite ao maquinista fazer o trem dar ré.

O vapor, depois de usado, é simplesmente expelido, saindo para a atmosfera.

Esse fato explica duas coisas sobre locomotivas a vapor:

Por que se deve carregar água na estação – a água é constantemente perdida com a descarga de vapor.

O som “tchu-tchu” que vem da locomotiva – quando a válvula abre o cilindro para liberar a descarga de vapor, este escapa em pressão muito alta, fazendo o som “tchu” quando sai. Quando o trem dá partida, o pistão se move muito lentamente, mas quando o trem começa a andar o pistão ganha velocidade. O efeito disto é o “tchu… tchu… tchu… tchu-tchu-tchu-tchu” que ouvimos quando o trem começa a se mover.

Numa locomotiva a vapor, a cruzeta normalmente se liga a uma haste motriz, e daí às hastes de acoplamento que acionam as rodas da locomotiva.

No diagrama apresentado, a cruzeta é conectada à haste motriz que, por sua vez, se conecta a uma das três rodas motrizes. As três rodas são conectadas por hastes de acoplamento de modo que girem em uníssono, juntas.

Caldeiras

O vapor de alta pressão para um motor a vapor vem de uma caldeira. O trabalho da caldeira é aquecer a água para gerar vapor.

Há dois métodos: tubo de fogo e tubo de água.

A caldeira com tubos de fogo era mais comum nos anos 1800. Ela consiste em um tanque de água atravessado por canos.

Os gases quentes do fogo de carvão ou madeira atravessam os canos para esquentar a água no tanque, como mostrado aqui:

Motor a Vapor – Caldeira

Numa caldeira com tubos de fogo, o tanque todo está sob pressão, então se o tanque estourar, gera uma grande explosão.

Mais comuns hoje são as caldeiras tubulares de água, nas quais a água corre através de um conjunto de tubos que ficam na passagem dos gases quentes do fogo.

O diagrama simplificado a seguir mostra um esboço de uma caldeira de tubos de água:

Motor a Vapor – Caldeira de tubos de água

Numa caldeira real, tudo é muito mais complicado porque o objetivo dela é extrair todo o calor possível do combustível queimado para melhorar a eficiência.

Máquinas a Vapor

É a denominação dada a qualquer motor que funcione pela transformação de energia térmica em energia mecânica através da expansão do vapor de água. A pressão adquirida pelo vapor é utilizada para deslocar êmbolos que permite o movimento das rodas de potentes locomotivas.

Pode ainda ser empregada, pela transformação em energia cinética, ou energia de movimento, em imensas turbinas que impulsionam geradores elétricos e gigantescos transatlânticos. Bombas, bate-estacas e muitas outras máquinas são comandadas por máquinas à vapor.

O desenvolvimento da máquina à vapor no século XVIII contribuiu para a expansão da indústria moderna. Até então, os trabalhadores era executados na dependência exclusiva da potência dos músculos dos operários e da energia animal.

Do vento ou da água. Uma única máquina à vapor realizava o trabalho de centenas de cavalos. Fornecia a energia necessária para acionar todas as máquinas de uma fábrica. Uma locomotiva à vapor podia deslocar cargas pesadas a grandes distância em um único dia. Os navios à vapor ofereciam transporte rápido, econômica e seguro.

Como funciona uma máquina à vapor

Uma máquina à vapor não cria energia, utiliza o vapor para transformar a energia calorífica liberada pela queima de combustível em movimento de rotação e movimento alternado de vaivém, afim de realizar trabalho. Uma máquina à vapor possui uma fornalha, na qual se queima carvão , óleo, madeira ou algum outro combustível para produzir energia calorífica.

Em uma usina atômica um reator funciona como uma fornalha e a desintegração dos átomos gera o calor. Uma máquina à vapor dispõe de uma caldeira. O calor proveniente da queima de combustível leva a água a transformar-se, e ocupa um espaço muitas vezes maior que o ocupado pela água.

Essa energia de expansão pode ser aproveitada de duas formas:

1) deslocando um êmbolo num movimento vaivém ou
2) acionando uma turbina.

Máquina a vapor de êmbolo

As máquinas à vapor desse tipo possuem êmbolos que deslizam com um movimento vaivém no interior do cilindro. Vários sistemas de válvulas permitem a admissão do vapor no cilindro e a conseqüente impulsão da êmbolo, primeiro em um sentido e depois em outro, antes de deixar escapar o vapor já usado. Estas máquinas são geralmente denominadas máquinas de movimento alternado, ou alternativo, por causa do movimento vaivém, ou alternado de seus êmbolos. Os martelos à vapor utilizados para cravar estacas e os empregados para forjar metais requerem este tipo de movimento. Uma locomotiva, entretanto, necessita de um movimento giratório para acionar suas rodas. Esse movimento giratório é obtido ligando-se um virabrequim às extremidades do êmbolo. Em alguns tipos de máquinas à vapor de movimento alternado, denominado máquina compound, ou de sistema, o vapor flui através de quatro cilindros de diâmetro e opera quatro êmbolos.

História

Herão, matemático e físico que viveu na Alexandria, Egito, descreveu a primeira máquina à vapor conhecida em 120 a.C. A máquina consistia em uma esfera metálica, pequena e oca montada sobre um suporte de cano proveniente de uma caldeira de vapor. Dois canos em forma de L eram fixados na esfera. Quando o vapor escapa por esses canos em forma de L, a esfera adquiria movimento de rotação. Este motor, entretanto não realizava nenhum trabalho útil. Centenas de anos depois, no séc. XVII, as primeiras máquinas à vapor bem – sucedida foram desenvolvidas.

As primeiras máquinas a vapor

Operavam utilizando-se mais da propriedade de o vapor condensar-se de novo em líquido do que de sua propriedade de expansão. Quando o vapor se condensa, o líquido ocupa menos espaço que o vapor. Se a condensação tem um lugar em um recipiente fechado, cria-se um vácuo parcial, que pode realizar trabalho útil.

Em 1698, Thomas Savery (1650-1715), mecânico inglês, patenteou a primeira máquina à vapor realmente prática, uma bomba para drenagem de água de minas. A bomba de Savery possuía válvulas operadas manualmente, abertas para permitir a entrada de vapor em um recipiente fechado. Despejava-se água fria no recipiente para resfriá-lo e condensar o vapor. Uma vez condensado o vapor, abria-se uma válvula de modo que vácuo no recipiente aspirasse a água através de um cano.

Em 1712, Thomas Newcomen (1663-1729), ferreiro inglês, inventou outra máquina à vapor para esvaziamento da água de infiltração das minas.

A máquina de Newcomen possuía uma viga horizontal à semelhança de uma gangorra, da qual pendiam dois êmbolos, um em cada extremidade, Um êmbolo permanecia no interior de um cilindro, Quando o vapor penetrava no cilindro, forçava o êmbolo para cima, e acarretava a decida de outra extremidade.

Borrifa-se água fria no cilindro, o vapor se condensava e o vácuo sugava o êmbolo de novo para baixo. Isto elevava o outro extremo da viga, que se ligava ao êmbolo de uma bomba na mina.

Fonte: www.discoverybrasil.com/www.adorofisica.com.br