Uma máquina a vapor funciona como uma máquina térmica, convertendo a energia térmica do vapor em trabalho mecânico. Este processo envolve a pressão do vapor exercendo força para acionar um pistão reciprocamente dentro de um cilindro. Uma biela e um mecanismo de manivela traduzem esse movimento linear em força rotacional, permitindo o trabalho mecânico. Embora normalmente denote motores alternativos, a designação "máquina a vapor" também foi estendida por alguns especialistas para abranger turbinas a vapor e dispositivos históricos como a eolípila de Hero. Uma característica definidora dos motores a vapor é a sua classificação como motores de combustão externa, o que significa que o fluido de trabalho permanece distinto dos produtos de combustão. O ciclo Rankine representa o modelo termodinâmico ideal para analisar este processo operacional. Normalmente, o termo máquina a vapor pode denotar uma usina a vapor inteira, incluindo componentes como caldeiras, exemplificadas por locomotivas a vapor ferroviárias e motores portáteis, ou pode se referir especificamente ao próprio mecanismo de pistão ou turbina, como visto em motores de feixe e motores a vapor estacionários.
Uma máquina a vapor é uma máquina térmica que realiza trabalho mecânico usando vapor como fluido de trabalho. A máquina a vapor usa a força produzida pela pressão do vapor para empurrar um pistão para frente e para trás dentro de um cilindro. Esta força de impulso pode ser transformada por uma biela e manivela em força rotacional para trabalho. O termo "máquina a vapor" é normalmente aplicado a motores alternativos, embora algumas autoridades também tenham se referido à turbina a vapor e a dispositivos como a eolípila de Hero como "máquinas a vapor". A característica essencial dos motores a vapor é que são motores de combustão externa, onde o fluido de trabalho é separado dos produtos da combustão. O ciclo termodinâmico ideal usado para analisar este processo é denominado ciclo Rankine. No uso geral, o termo máquina a vapor pode se referir a usinas a vapor completas (incluindo caldeiras, etc.), como locomotivas a vapor ferroviárias e motores portáteis, ou pode se referir apenas às máquinas de pistão ou turbina, como na máquina de feixe e na máquina a vapor estacionária.
Os primeiros mecanismos movidos a vapor, como a eolípila, foram documentados já no século I dC, com aplicações adicionais surgindo no século XVI. Em 1606, Jerónimo de Ayanz y Beaumont obteve a patente do que é reconhecido como a bomba de água a vapor inaugural, concebida para drenagem de minas. Thomas Savery é responsável pela invenção do primeiro aparelho movido a vapor comercialmente viável, uma bomba que utilizava diretamente a pressão do vapor para mover a água. Thomas Newcomen desenvolveu o primeiro motor comercialmente bem-sucedido capaz de fornecer energia contínua às máquinas em 1712. Um avanço fundamental ocorreu em 1764, quando James Watt melhorou significativamente a eficiência desviando o vapor gasto para um condensador distinto, aumentando assim substancialmente a produção de trabalho por unidade de combustível. Durante o século 19, os motores a vapor estacionários tornaram-se a principal fonte de energia para as fábricas durante a Revolução Industrial. Além disso, os motores a vapor substituíram as velas dos barcos a vapor e impulsionaram as locomotivas nas redes ferroviárias.
Os motores a vapor de pistão alternativo serviram como fonte de energia predominante até o início do século XX. A eficiência operacional dos motores a vapor estacionários experimentou melhorias substanciais, atingindo o pico por volta de 1922. A maior eficiência do ciclo Rankine registrada atingiu 91%, com uma eficiência térmica combinada de 31%, conforme demonstrado e publicado em 1921 e 1928. Avanços subsequentes em motores elétricos e projetos de motores de combustão interna levaram ao deslocamento progressivo de motores a vapor em aplicações comerciais. No domínio da geração de energia, as turbinas a vapor substituíram os motores alternativos, principalmente devido ao seu custo reduzido, velocidade operacional superior e maior eficiência. É digno de nota que as turbinas a vapor de pequena escala apresentam uma eficiência consideravelmente menor em comparação com as suas equivalentes maiores.
A partir de 2023, a Alemanha continua a fabricar grandes motores a vapor de pistão alternativo.
Histórico
Experimentos iniciais
Entre os primeiros dispositivos rudimentares movidos a vapor documentados está a eolípila, detalhada por Herói de Alexandria, um matemático e engenheiro helenístico ativo no Egito romano durante o primeiro século DC. Durante vários séculos subsequentes, o número limitado de motores a vapor conhecidos, incluindo o aeolipile, serviu principalmente como aparatos experimentais para os inventores ilustrarem as propriedades fundamentais do vapor. Projetos rudimentares de turbinas a vapor foram documentados por Taqi al-Din no Egito otomano em 1551 e por Giovanni Branca na Itália em 1629. Em 1601, Giambattista della Porta delineou um aparelho projetado para utilizar a pressão do vapor para levantar uma coluna de água. O inventor espanhol Jerónimo de Ayanz obteve patentes em 1606 para 50 inovações movidas a vapor, nomeadamente uma bomba de água destinada à drenagem de minas inundadas. Em 1615, Salomon de Caus desenvolveu um motor atmosférico movido a energia solar. Denis Papin, um inventor francês, conduziu pesquisas significativas sobre o digestor de vapor em 1679 e posteriormente empregou um pistão para levantar pesos em 1690.
Motores de bombeamento
Thomas Savery desenvolveu o primeiro dispositivo comercial movido a vapor, uma bomba de água, em 1698. Esta invenção utilizou vapor condensado para gerar vácuo, puxando a água para cima e, posteriormente, empregou pressão de vapor para elevá-la ainda mais. Embora os motores menores tenham se mostrado eficazes, as iterações maiores encontraram desafios operacionais significativos, incluindo uma altura de elevação restrita e uma suscetibilidade a explosões de caldeiras. O motor de Savery encontrou aplicação em minas, estações de bombeamento e no fornecimento de água para alimentar máquinas têxteis por meio de rodas d'água. Um benefício notável do design de Savery foi sua produção econômica. Bento de Moura Portugal posteriormente aprimorou o design de Savery, permitindo-lhe "torná-lo capaz de funcionar sozinho", um desenvolvimento documentado por John Smeaton nas Transações Filosóficas de 1751. A produção deste motor persistiu até o final do século XVIII, com pelo menos uma unidade permanecendo notavelmente operacional até 1820.
Motores a vapor de pistão
O motor atmosférico de Thomas Newcomen, desenvolvido por volta de 1712, marcou a primeira máquina comercialmente viável capaz de fornecer potência contínua. Esta inovação baseou-se no conceito de bomba de vapor de Savery ao incorporar um pistão, ideia inicialmente sugerida por Papin. Apesar de sua relativa ineficiência, o motor de Newcomen servia principalmente para aplicações de bombeamento de água. Sua operação dependia da geração de vácuo parcial por meio da condensação do vapor sob um pistão dentro de um cilindro. O motor provou ser fundamental na drenagem de poços de minas em profundidades anteriormente incontroláveis por métodos convencionais e no fornecimento de água recirculada para movimentar rodas d'água em fábricas localizadas sem acesso direto a uma "cabeça" adequada. A água descarregada da roda foi posteriormente bombeada para um reservatório de armazenamento elevado. Em 1780, James Pickard obteve uma patente para integrar um volante e um virabrequim para converter o movimento alternativo de um motor Newcomen aprimorado em potência rotativa.
Jacob Leupold documentou uma máquina a vapor de alta pressão de dois cilindros em 1720. Esta invenção foi detalhada em sua publicação seminal, "Theatri Machinarum Hydraulicarum". O motor empregava dois pistões substanciais para acionar uma bomba d'água. A pressão do vapor elevou cada pistão, enquanto a gravidade facilitou seu retorno à posição inicial. Uma única válvula rotativa de quatro vias, diretamente ligada a uma caldeira a vapor, atendia ambos os pistões.
Um avanço crucial subsequente surgiu entre 1763 e 1775, quando James Watt projetou uma versão aprimorada do motor de Newcomen, incorporando notavelmente um condensador separado. Os motores iniciais produzidos por Boulton e Watt consumiram apenas metade do carvão exigido pelo refinado motor Newcomen de John Smeaton. Os primeiros projetos de Newcomen e Watt operavam como motores "atmosféricos". Sua potência derivava da pressão atmosférica que acionava um pistão no vácuo parcial criado pela condensação do vapor, e não da força de expansão do próprio vapor. Conseqüentemente, os cilindros do motor necessitavam de dimensões substanciais, já que a pressão atmosférica constituía a única força motriz efetiva.
Watt posteriormente refinou seu motor, adaptando-o para produzir movimento rotativo, tornando-o adequado para acionar diversas máquinas. Esta inovação facilitou o estabelecimento de fábricas independentemente da localização fluvial e acelerou significativamente o progresso da Revolução Industrial.
Motores de alta pressão
A definição de 'alta pressão', incluindo seu valor específico relativo às condições ambientais, variou dependendo do período histórico de seu uso. Nos primeiros contextos, Van Reimsdijk refere-se ao vapor que possui força suficiente para ser expelido diretamente para a atmosfera, realizando assim o trabalho sem a necessidade de vácuo. Ewing 1894, pág. 22 observa que os motores de condensação de Watt foram categorizados contemporaneamente como de 'baixa pressão' quando contrastados com os motores de 'alta pressão' e sem condensação predominantes na mesma época.
A patente de Watt restringiu efetivamente o desenvolvimento de motores compostos e de alta pressão por outros inventores. Logo depois que a patente de Watt expirou em 1800, tanto Richard Trevithick quanto, independentemente, Oliver Evans introduziram motores a vapor de alta pressão em 1801. Trevithick garantiu sua patente para um motor de alta pressão em 1802, enquanto Evans já havia construído vários protótipos funcionais. Esses novos motores ofereciam potência significativamente maior para o tamanho do cilindro em comparação com designs anteriores, permitindo sua miniaturização para uso em transporte. Posteriormente, os contínuos avanços tecnológicos e refinamentos nos processos de fabricação – parcialmente estimulados pela adoção generalizada da máquina a vapor como fonte de energia primária – levaram à criação de motores mais eficientes, configuráveis para tamanho reduzido, maior velocidade ou potência aprimorada, dependendo de sua aplicação específica.
O motor Cornish foi criado por Trevithick e seus contemporâneos na década de 1810. Este motor de ciclo composto aproveitou o vapor de alta pressão de forma expansiva antes de condensar o vapor de baixa pressão resultante, alcançando assim uma eficiência notável. No entanto, o motor Cornish exibiu movimento e torque irregulares durante todo o seu ciclo operacional, o que restringiu principalmente a sua aplicação a tarefas de bombeamento. Esses motores permaneceram em serviço nas operações de mineração e no abastecimento de água até o final do século XIX.
Motor estacionário horizontal
Os fabricantes pioneiros de motores a vapor estacionários inicialmente postularam que os cilindros horizontais sofreriam desgaste indevido. Consequentemente, os projetos de seus motores apresentavam um eixo de pistão orientado verticalmente. Com o tempo, a configuração horizontal ganhou destaque, facilitando a integração de motores potentes, porém compactos, em áreas mais confinadas.
O apogeu do projeto de motor horizontal foi alcançado com a máquina a vapor Corliss, patenteada em 1849. Este projeto inovador apresentava um sistema de contrafluxo de quatro válvulas, incorporando válvulas distintas para admissão e exaustão de vapor, juntamente com um mecanismo automático de corte de vapor variável. Após a atribuição da Medalha Rumford a Corliss, o comitê de premiação declarou que "nenhuma invenção desde a era de Watt aumentou tão significativamente a eficiência da máquina a vapor". Além da redução de 30% no consumo de vapor, o motor proporcionou uma velocidade operacional mais consistente, atribuível ao seu corte de vapor variável, tornando-o excepcionalmente adequado para a fabricação industrial, especialmente na fiação de algodão.
Veículos Rodoviários
Os primeiros veículos rodoviários experimentais movidos a vapor surgiram no final do século XVIII; no entanto, os motores a vapor móveis só se tornaram um conceito viável após os avanços de Richard Trevithick na utilização de vapor de alta pressão por volta de 1800. Avanços significativos no design de veículos a vapor caracterizaram a primeira metade do século XIX, levando a que a produção comercial se tornasse viável na década de 1850. No entanto, este progresso foi impedido por medidas legislativas que restringiram ou proibiram totalmente a operação de veículos movidos a vapor nas vias públicas. As melhorias tecnológicas nesses veículos persistiram desde a década de 1860 até a década de 1920. Os veículos rodoviários movidos a vapor encontraram utilidade em uma ampla gama de aplicações.
Durante o século XX, a rápida evolução da tecnologia dos motores de combustão interna precipitou o declínio da máquina a vapor como fonte de propulsão automóvel comercialmente viável, com apenas um número limitado a permanecer operacional após a Segunda Guerra Mundial. Um número substancial destes veículos foi posteriormente adquirido por entusiastas para preservação, e muitos exemplos perduram até hoje. Os desafios da poluição atmosférica na Califórnia durante a década de 1960 provocaram um ressurgimento transitório do interesse no desenvolvimento e investigação de veículos movidos a vapor como uma solução potencial para mitigar a contaminação ambiental. Atualmente, além dos esforços dos entusiastas do vapor, das construções de réplicas esporádicas e das atividades tecnológicas experimentais, nenhum veículo a vapor está em produção ativa.
Motores Marítimos
No final do século XIX, os motores compostos alcançaram ampla adoção. Esses motores funcionavam através da exaustão do vapor em cilindros progressivamente maiores, acomodando assim maiores volumes a pressões diminuídas e, conseqüentemente, aumentando a eficiência. Esses estágios sequenciais foram chamados de expansões, com motores de expansão dupla e tripla tornando-se predominantes, especialmente na indústria naval, onde a eficiência era crucial para minimizar o peso do carvão a bordo. Os motores a vapor mantiveram sua supremacia como fonte de energia até o início do século 20, quando as inovações no projeto de turbinas a vapor, motores elétricos e motores de combustão interna levaram progressivamente ao deslocamento dos motores a vapor alternativos (pistão). Essa transição fez com que a navegação mercante adotasse cada vez mais motores a diesel, enquanto os navios de guerra faziam a transição para turbinas a vapor.
Locomotivas a Vapor
Ao longo do século XVIII, à medida que a tecnologia dos motores a vapor avançava, numerosos esforços foram empreendidos para adaptar estes motores para aplicações rodoviárias e ferroviárias. Em 1784, William Murdoch, um inventor escocês, construiu um modelo de locomotiva rodoviária movida a vapor. Um dos primeiros modelos operacionais de uma locomotiva ferroviária a vapor foi concebido e construído pelo pioneiro dos barcos a vapor John Fitch nos Estados Unidos, provavelmente entre as décadas de 1780 e 1790. A locomotiva a vapor de Fitch incorporava rodas com lâminas internas que eram guiadas por trilhos ou trilhos.
A primeira locomotiva a vapor ferroviária operacional em grande escala foi construída por Richard Trevithick no Reino Unido. Em 21 de fevereiro de 1804, esta locomotiva facilitou a viagem ferroviária inaugural do mundo, transportando 10 toneladas métricas de ferro, 70 passageiros e cinco vagões ao longo do bonde da siderúrgica Pen-y-darren, situada perto de Merthyr Tydfil, até Abercynon, no sul do País de Gales. O design de Trevithick apresentou inovações significativas, nomeadamente a aplicação de vapor de alta pressão, que reduziu a massa do motor e melhorou a eficiência operacional. Seguindo seu
Trevithick posteriormente buscou novos projetos experimentais, culminando na locomotiva de 1808, Catch Me Who Can. Apenas quatro anos depois, a bem-sucedida locomotiva de dois cilindros de Matthew Murray, Salamanca, foi implantada na ferrovia de cremalheira e pinhão da Middleton Railway. Em 1825, George Stephenson construiu a Locomoção para a Ferrovia Stockton e Darlington, que inaugurou a primeira ferrovia pública a vapor do mundo. Posteriormente, em 1829, Stephenson desenvolveu o The Rocket, uma locomotiva que competiu e triunfou nos Rainhill Trials. A Liverpool and Manchester Railway iniciou suas operações em 1830, utilizando exclusivamente energia a vapor para transporte de passageiros e carga.
A produção de locomotivas a vapor persistiu até o final do século XX em várias regiões, incluindo a China e a antiga Alemanha Oriental, onde a classe DR 52.80 foi fabricada notavelmente.
Turbinas a vapor
O avanço significativo no projeto de motores a vapor envolveu a adoção de turbinas a vapor, começando na segunda metade do século XIX. Turbinas a vapor normalmente exibem eficiência superior em comparação com motores a vapor de pistão alternativo (particularmente para potências superiores a várias centenas de cavalos de potência), possuem um número reduzido de componentes móveis e geram energia rotativa diretamente, ignorando a necessidade de sistemas de biela ou mecanismos análogos. No início do século 20, as turbinas a vapor suplantaram em grande parte os motores alternativos nas instalações de geração de eletricidade, devido à sua maior eficiência, velocidades de rotação mais altas adequadas para a operação do gerador e fornecimento suave de energia. Atualmente, a maior parte da energia elétrica global é gerada por turbinas a vapor. Nos Estados Unidos, 90% da energia elétrica é produzida através deste método, utilizando diversas fontes de calor. Além disso, as turbinas a vapor foram amplamente utilizadas para a propulsão de grandes embarcações durante a maior parte do século XX.
Desenvolvimentos Contemporâneos
Embora os motores a vapor alternativos não sejam mais amplamente empregados em aplicações comerciais, diversas entidades estão atualmente investigando ou aproveitando seu potencial como uma alternativa viável aos motores de combustão interna.
Em 2011, foi lançada a menor "máquina a vapor" operacional do mundo. Este motor em microescala foi projetado por dois cientistas alemães afiliados à Universidade de Stuttgart. Sua funcionalidade é baseada nos princípios de um motor Stirling.
Componentes e equipamentos auxiliares de motores a vapor
Uma usina a vapor compreende fundamentalmente dois elementos principais: a caldeira, ou gerador de vapor, e a "unidade motora", que é chamada de "máquina a vapor". Em instalações estacionárias de motores a vapor dentro de estruturas fixas, a caldeira e o motor podem ser alojados em edifícios distintos, separados por alguma distância. Por outro lado, para aplicações portáteis ou móveis, como locomotivas a vapor, esses dois componentes são integrados em um único conjunto.
O projeto predominante de motor alternativo normalmente incorporava um cilindro de ferro fundido, um pistão, uma biela e viga ou uma manivela e volante, juntamente com várias ligações associadas. O vapor era introduzido e expelido alternadamente através de uma ou mais válvulas. A regulação da velocidade foi obtida automaticamente através de um governador ou manualmente através de uma válvula de controle. A própria fundição do cilindro apresentava portas dedicadas para admissão e exaustão de vapor.
Os motores que incorporam um condensador constituem uma classificação distinta daqueles que liberam a exaustão diretamente na atmosfera.
Componentes adicionais são frequentemente integrados, incluindo bombas (por exemplo, injetores) para fornecimento de água da caldeira durante a operação, condensadores para recirculação de água e recuperação de calor latente e superaquecedores para elevar a temperatura do vapor além de seu ponto de vapor saturado. Além disso, vários mecanismos são empregados para melhorar a tiragem dentro das fornalhas. Nos casos em que o carvão serve como combustível, um mecanismo de alimentação de corrente ou parafuso, completo com seu motor ou motor de acionamento, pode ser incorporado para transferir o combustível de um depósito de abastecimento (bunker) para a fornalha.
Fonte de calor
A energia térmica necessária para a vaporização da água e a elevação da temperatura do vapor normalmente se origina da combustão de substâncias inflamáveis em um ambiente fechado (por exemplo, uma câmara de combustão, fornalha ou forno), fornecido com ar adequado. Para modelos, brinquedos e algumas máquinas a vapor em grande escala, um elemento de aquecimento elétrico pode servir como fonte de calor.
Caldeiras
As caldeiras funcionam como vasos de pressão projetados para conter água para vaporização, incorporando recursos otimizados para transferência eficiente de calor para o líquido contido.
As duas configurações predominantes incluem:
- Caldeira aquatubular
- Neste projeto, a água circula através de tubos envoltos por gases quentes.
- Caldeira flamotubular
- Por outro lado, gases quentes atravessam tubos submersos em água. Essa mesma água também circula dentro de uma camisa de água que envolve a fornalha e, em caldeiras de locomotivas de alto rendimento, flui adicionalmente através de tubos situados diretamente dentro da fornalha (conhecidos como sifões térmicos e circuladores de segurança).
As caldeiras flamotubulares constituíram o projeto principal para as primeiras aplicações de vapor de alta pressão, especialmente em locomotivas a vapor. No entanto, no final do século XIX, foram largamente substituídas por caldeiras aquatubulares mais economicamente eficientes para propulsão marítima e extensas instalações estacionárias.
Numerosas caldeiras elevam a temperatura do vapor após a sua saída da secção onde entra em contacto com a água. Este processo, denominado superaquecimento, converte 'vapor úmido' em 'vapor superaquecido', evitando assim a condensação dentro dos cilindros do motor e aumentando substancialmente a eficiência operacional.
Unidades Motoras
Dentro de uma máquina a vapor, componentes como pistões, turbinas a vapor ou dispositivos análogos de produção de trabalho mecânico recebem vapor de alta pressão e alta temperatura e o descarregam a pressão e temperatura reduzidas, convertendo o diferencial máximo possível na energia do vapor em trabalho mecânico.
Essas "unidades motoras" são frequentemente chamadas de 'máquinas a vapor' de forma independente. Os motores que operam com ar comprimido ou outros gases divergem dos motores a vapor principalmente em elementos de design específicos ditados pelas propriedades do gás, embora o ar comprimido tenha sido empregado com sucesso em motores a vapor sem modificação.
Dissipador Frio
De forma consistente com todos os motores térmicos, a porção predominante da energia primária deve ser dissipada como calor residual a uma temperatura comparativamente baixa.
O método mais simples de dissipação a frio envolve a ventilação do vapor diretamente no ambiente. Esta abordagem é comumente adotada em locomotivas a vapor para contornar a massa e o volume adicionados aos condensadores. Uma parte do vapor expelido é direcionada para cima pela chaminé para aumentar a tiragem do fogo, aumentando significativamente a potência do motor, mas ao mesmo tempo diminuindo a eficiência geral.
Ocasionalmente, o calor de exaustão do motor possui utilidade inerente, permitindo a obtenção de eficiências gerais excepcionalmente altas em tais cenários.
Os motores a vapor de usinas estacionárias utilizam condensadores de superfície como um dissipador frio. Esses condensadores são normalmente resfriados por água proveniente de oceanos, rios ou lagos, ou frequentemente por torres de resfriamento que facilitam a remoção de calor evaporativo. A água quente condensada resultante (condensado) é subsequentemente repressurizada e devolvida à caldeira. Em regiões onde a água é escassa, são empregadas torres de resfriamento do tipo seco, análogas aos radiadores automotivos. Alternativamente, o calor residual pode ser expelido por meio de torres de resfriamento evaporativo (úmidas), que incorporam um circuito externo secundário de água que evapora uma parte do fluxo para a atmosfera.
Os primeiros barcos fluviais empregavam inicialmente condensadores a jato, nos quais a água fria do rio era injetada diretamente no vapor de exaustão do motor, levando a uma mistura de água de resfriamento e condensado. Embora este método também tenha sido aplicado a navios de alto mar, normalmente resultava numa deposição significativa de sal nas superfícies das caldeiras após apenas alguns dias de operação, diminuindo assim o desempenho e aumentando o risco de explosões das caldeiras. Começando por volta de 1834, a adoção de condensadores de superfície em navios mitigou efetivamente a incrustação das caldeiras e melhorou a eficiência do motor.
A água evaporada é geralmente inadequada para aplicações subsequentes (além da precipitação atmosférica), ao contrário da água do rio, que pode ser reutilizada. Crucialmente, em todas as configurações da planta de vapor, a água de alimentação da caldeira, que necessita de pureza rigorosa, é mantida distintamente separada da água de resfriamento ou do ar.
Bomba de água
Para garantir o funcionamento contínuo, a maioria das caldeiras a vapor incorpora mecanismos para reabastecimento de água sob pressão. Embora as bombas centrífugas multiestágio sejam predominantes em caldeiras industriais e utilitárias, projetos de bombas alternativos também são empregados. Um método alternativo para fornecer água de alimentação de caldeira a baixa pressão, normalmente variando de aproximadamente 5 a 10 atmosferas (73 a 147 psi), envolve um injetor que utiliza um jato de vapor, geralmente proveniente da própria caldeira. Embora os injetores tenham ganhado popularidade na década de 1850, seu uso generalizado diminuiu, com exceções notáveis em aplicações específicas, como locomotivas a vapor. A pressurização da água que circula dentro da caldeira a vapor permite que sua temperatura exceda 100 °C (212 °F), o ponto de ebulição a uma pressão atmosférica, aumentando assim a eficiência geral do ciclo de vapor.
Sistemas de monitoramento e controle
Por motivos de segurança, praticamente todas as máquinas a vapor são equipadas com mecanismos de monitoramento de caldeiras, incluindo manômetros e visores para vigilância do nível de água.
Vários motores, abrangendo configurações estacionárias e móveis, são equipados adicionalmente com um regulador para regular autonomamente a velocidade do motor, eliminando a necessidade de intervenção manual.
O indicador de máquinas a vapor representa o instrumento mais eficaz para analisar o desempenho operacional das máquinas a vapor. Embora versões rudimentares tenham sido empregadas em 1851, a iteração de maior sucesso foi concebida por Charles Richard para Charles Porter, um proeminente inventor e fabricante de motores de alta velocidade, e posteriormente apresentada na Exposição de Londres em 1862. Este dispositivo registra graficamente a pressão do cilindro ao longo de todo o ciclo operacional, facilitando a identificação de diversos problemas mecânicos e o cálculo preciso da potência desenvolvida. Sua aplicação rotineira estendeu-se a engenheiros, mecânicos e inspetores de seguros. Além disso, o indicador do motor é aplicável a motores de combustão interna.
Governador
James Watt integrou o regulador centrífugo em projetos de motores a vapor em 1788, após a observação feita por seu sócio, Boulton, em máquinas dentro de um moinho de farinha em construção pela Boulton & Watt. Inicialmente, o governador foi incapaz de manter uma velocidade definida precisa, estabelecendo em vez disso uma nova velocidade constante em resposta direta às flutuações na carga. No entanto, conseguiu gerir eficazmente pequenas variações, como as resultantes de cargas térmicas oscilantes fornecidas à caldeira. Além disso, qualquer alteração na velocidade frequentemente induzia um comportamento oscilatório. Consequentemente, os motores que dependem exclusivamente deste regulador revelaram-se inadequados para aplicações que exigem velocidade consistente, exemplificada pela fiação de algodão. Através de refinamentos subsequentes e da integração com mecanismos variáveis de corte de vapor, a regulação precisa da velocidade em resposta às variações de carga tornou-se possível no final do século XIX.
Configuração do mecanismo
Mecanismo Simples
Em um motor simples, também denominado "motor de expansão única", a carga de vapor passa por seu processo completo de expansão dentro de um cilindro solitário. Tal motor pode incorporar um ou vários cilindros individuais. Posteriormente, o vapor é exaurido diretamente na atmosfera ou em um condensador. Durante sua expansão através de um motor de alta pressão, o vapor sofre uma redução de temperatura devido à ausência de entrada de calor no sistema; esse fenômeno, denominado expansão adiabática, faz com que o vapor entre no cilindro a uma temperatura elevada e saia a uma temperatura reduzida. Este aquecimento e resfriamento cíclicos do cilindro a cada curso constituem uma fonte significativa de ineficiência operacional.
A fonte predominante de degradação da eficiência em motores alternativos a vapor decorre da condensação do cilindro e subsequente reevaporação. O cilindro de vapor, juntamente com seus componentes metálicos e portas contíguas, opera a uma temperatura aproximadamente equidistante entre a temperatura de saturação de admissão de vapor e a temperatura de saturação associada à pressão de exaustão. Após a introdução de vapor de alta pressão no cilindro de trabalho, uma porção substancial deste vapor de alta temperatura condensa-se em gotículas de água nas superfícies metálicas, diminuindo assim acentuadamente a quantidade de vapor disponível para trabalho expansivo. Por outro lado, à medida que o vapor em expansão atinge pressões mais baixas, particularmente durante o curso de exaustão, as gotículas de água previamente formadas dentro do cilindro e das portas sofrem reevaporação, gerando vapor que não realiza trabalho adicional dentro do cilindro.
Restrições práticas limitam a taxa de expansão alcançável dentro de um único cilindro de máquina a vapor. Uma maior área de superfície do cilindro agrava os problemas relacionados à condensação e reevaporação do cilindro, anulando assim os benefícios teóricos de uma alta taxa de expansão em um cilindro individual.
Motores compostos
Em 1804, o engenheiro britânico Arthur Woolf desenvolveu um método para mitigar as perdas de energia associadas a cilindros excessivamente longos, patenteando seu motor composto Woolf de alta pressão no ano seguinte. Este projeto envolve a expansão do vapor de alta pressão da caldeira primeiro dentro de um cilindro de alta pressão (HP), seguido por sua entrada subsequente em um ou mais cilindros de baixa pressão (LP). Esta expansão escalonada em vários cilindros reduz significativamente o diferencial de temperatura dentro de cada cilindro individual. Ao segmentar a expansão do vapor em estágios com faixas de temperatura mais estreitas por cilindro, os problemas de eficiência acima mencionados decorrentes da condensação e da reevaporação são substancialmente diminuídos. Este processo minimiza a extensão dos ciclos de aquecimento e resfriamento do cilindro, aumentando consequentemente a eficiência do motor. Além disso, organizar a expansão em vários cilindros ajuda a reduzir as variações de torque. Para obter um trabalho equivalente de um cilindro de pressão mais baixa, é necessário um volume maior do cilindro devido ao aumento do volume específico do vapor. Consequentemente, o diâmetro e, ocasionalmente, o curso dos cilindros de baixa pressão são aumentados, levando a suas maiores dimensões físicas. Os motores de dupla expansão, comumente chamados de motores compostos, facilitam a expansão do vapor em dois estágios distintos. As configurações podem envolver pares de cilindros duplicados ou, alternativamente, a saída de um único cilindro de alta pressão pode ser direcionada para dois cilindros de baixa pressão. Este último arranjo resulta em um projeto de três cilindros, onde os diâmetros do cilindro e do pistão são aproximadamente uniformes, simplificando assim o equilíbrio das massas alternativas.
Os motores compostos de dois cilindros podem ser configurados em vários arranjos:
- Compostos cruzados: também são chamados de compostos 'receptores'. Seus cilindros operam fora de fase (normalmente menos de 180°), necessitando de um 'receptor' de exaustão, que geralmente consiste no corpo da válvula ou no próprio invólucro.
- Compostos de lã: nesta configuração, os cilindros estão em fase ou exibem uma mudança de fase de 180°.
- Compostos tandem: Representando um tipo específico de composto Woolf, esses motores apresentam cilindros dispostos de ponta a ponta, que acionam coletivamente uma única biela.
- Compostos angulares: Esta é uma variante do composto Cruzado, caracterizado por cilindros posicionados em uma configuração em V (normalmente em um ângulo de 90°) que acionam um virabrequim compartilhado.
Em aplicações ferroviárias que utilizam motores compostos de dois cilindros, os pistões são normalmente conectados às manivelas com uma diferença de fase de 90°, análoga a um motor simples de dois cilindros, uma configuração conhecida como esquartejado. Quando um grupo de expansão dupla é duplicado para formar um composto de quatro cilindros, os pistões dentro de cada grupo são geralmente equilibrados em 180°, com os próprios grupos deslocados em 90°. Uma exceção notável é o projeto inicial do composto Vauclain, onde os pistões operavam na mesma fase, acionando uma cruzeta e uma manivela comuns, também ajustadas em 90° como um motor de dois cilindros. Para arranjos compostos de três cilindros, as manivelas de baixa pressão (LP) foram posicionadas a 90° uma em relação à outra, com a manivela de alta pressão (HP) a 135° das outras duas, ou, em certos casos, todas as três manivelas foram uniformemente ajustadas em 120°.
A implementação da composição tornou-se predominante em aplicações industriais, motores rodoviários, e foi quase universal em motores marítimos pós-1880. No entanto, a sua adoção não foi universalmente adotada nas locomotivas ferroviárias, onde foi frequentemente considerada excessivamente complexa. Esta percepção foi parcialmente atribuída às exigentes condições operacionais das ferrovias e às restrições espaciais impostas pelos medidores de carga, particularmente evidentes na Grã-Bretanha, onde a composição permaneceu incomum e deixou de ser empregada depois de 1930. No entanto, apesar de não alcançar o status de maioria, a composição ganhou popularidade considerável em vários outros países.
Mecanismos de expansão múltipla
O motor de expansão múltipla representa uma progressão lógica do motor composto, projetado para aumentar a eficiência subdividindo ainda mais o processo de expansão do vapor em estágios adicionais. Esses motores normalmente incorporam três ou quatro estágios de expansão, sendo consequentemente designados como motores de expansão tripla e quádrupla, respectivamente. Eles utilizam uma série de cilindros, cada um aumentando progressivamente em diâmetro, projetados especificamente para distribuir a carga de trabalho igualmente em cada estágio de expansão. Em cenários onde as restrições espaciais são significativas, semelhantes aos motores de dupla expansão, dois cilindros menores podem ser empregados para o estágio de baixa pressão. Embora os motores de expansão múltipla normalmente apresentassem arranjos de cilindros em linha, várias configurações alternativas também foram implementadas. Durante o final do século 19, o sistema de balanceamento Yarrow-Schlick-Tweedy foi adotado em certos motores marítimos de tripla expansão. Este sistema envolvia a divisão dos estágios de expansão de baixa pressão entre dois cilindros, posicionados em extremidades opostas do motor. Este design facilitou um melhor equilíbrio do virabrequim, resultando em um motor mais suave e responsivo com vibração reduzida. Conseqüentemente, o motor de tripla expansão de quatro cilindros ganhou popularidade em grandes navios de passageiros, como os da classe Olympic, embora tenha sido eventualmente substituído pelo motor de turbina praticamente livre de vibrações. Notavelmente, os motores a vapor alternativos de expansão tripla foram fundamentais para alimentar os navios Liberty da Segunda Guerra Mundial, que constituíram a maior frota de navios idênticos já construída, com mais de 2.700 unidades construídas nos Estados Unidos com base em um design original britânico.
A animação que acompanha ilustra a operação de um motor de expansão tripla, representando o fluxo de vapor da esquerda para a direita. A caixa de válvulas de cada cilindro está posicionada à esquerda do cilindro correspondente.
Os motores a vapor terrestres eram capazes de exaurir o vapor diretamente na atmosfera, dada a disponibilidade geral de água de alimentação. Antes e durante a Primeira Guerra Mundial, o motor de expansão era predominante em aplicações marítimas onde a alta velocidade da embarcação não era um requisito crítico. No entanto, foi posteriormente suplantada pela turbina a vapor inventada pelos britânicos em contextos que exigiam maior velocidade, como navios de guerra, incluindo navios de guerra dreadnought e transatlânticos. O HMS Dreadnought, lançado em 1905, foi o primeiro grande navio de guerra a substituir a tecnologia de motor alternativo estabelecida pela então inovadora turbina a vapor.
Tipos de unidades motoras
Pistão alternativo
Na maioria dos motores de pistão alternativo, o vapor sofre uma inversão de direção de fluxo durante cada curso, um fenômeno conhecido como contrafluxo, entrando e saindo do cilindro pela mesma extremidade. O ciclo completo do motor abrange uma rotação do virabrequim e dois cursos do pistão, compreendendo quatro eventos distintos: admissão, expansão, escape e compressão. Esses eventos são regulados com precisão por válvulas, frequentemente operando dentro de uma caixa de vapor situada adjacente ao cilindro. As válvulas gerenciam a distribuição de vapor abrindo e fechando portas de vapor que se comunicam com a(s) extremidade(s) do cilindro e são acionadas por vários tipos de engrenagens de válvula.
As engrenagens de válvula mais básicas fornecem eventos de duração fixa dentro do ciclo do motor e muitas vezes restringem a rotação do motor a uma única direção. No entanto, muitos incorporam um mecanismo de reversão que também facilita a conservação do vapor à medida que a velocidade e o impulso aumentam. Isto é conseguido “encurtando progressivamente o limite”, ou mais precisamente, reduzindo a duração do evento de admissão, o que por sua vez prolonga proporcionalmente o período de expansão. No entanto, como uma única válvula normalmente controla ambos os fluxos de vapor, um corte de admissão reduzido pode afetar adversamente os períodos de exaustão e compressão, que idealmente deveriam permanecer relativamente constantes. Um evento de exaustão excessivamente breve pode impedir a evacuação completa do vapor de exaustão do cilindro, causando asfixia e compressão excessiva, comumente referido como "retrocesso".
Nas décadas de 1840 e 1850, foram feitos esforços para resolver esse problema através de várias engrenagens de válvula patenteadas. Esses projetos incorporavam uma válvula de expansão de corte variável distinta posicionada no topo da válvula corrediça primária, que normalmente apresentava um corte fixo ou restrito. Embora esta configuração integrada oferecesse uma aproximação razoável dos eventos ideais da válvula, ela apresentava desvantagens como atrito elevado, desgaste aumentado e complexidade mecânica inerente. Uma abordagem compensatória comum envolveu a introdução de lap, obtida pela extensão das superfícies de atrito da válvula para sobrepor a porta de admissão. Este design garante que a porta de exaustão permaneça aberta por um longo período após o corte de admissão. Esta solução prática foi posteriormente amplamente aceita para a maioria das aplicações, facilitando a adoção de movimentos de válvula menos complexos, como aqueles desenvolvidos por Stephenson, Joy e Walschaerts. Por outro lado, as engrenagens de válvula Corliss e posteriores utilizavam válvulas de admissão e escape separadas, acionadas por mecanismos de disparo ou cames com perfil preciso para atingir o tempo ideal do evento. No entanto, a maioria destas engrenagens avançadas não conseguiu obter uma adoção generalizada para além das aplicações estacionárias, principalmente devido a desafios como fugas de vapor e a fragilidade dos seus mecanismos.
Compressão
Antes da conclusão completa da fase de exaustão, o lado de exaustão da válvula fecha, prendendo assim um segmento do vapor de exaustão dentro do cilindro. Esta ação inicia a fase de compressão, durante a qual se desenvolve uma almofada de vapor, contra a qual o pistão realiza trabalho à medida que sua velocidade diminui rapidamente. Além disso, este processo atenua os choques abruptos de pressão e temperatura que de outra forma resultariam do influxo repentino de vapor de alta pressão no início do ciclo subsequente.
Liderança em sincronização de válvulas
Os efeitos mencionados acima são otimizados ainda mais através da implementação de lead. Semelhante às descobertas posteriores em motores de combustão interna, foi reconhecido desde o final da década de 1830 que o avanço da fase de admissão, ao incorporar chumbo no sincronismo das válvulas, oferece benefícios significativos. Este avanço garante que a admissão comece um pouco antes da conclusão do curso de exaustão, permitindo o pré-preenchimento do volume de folga - que abrange as portas e extremidades do cilindro, distinto do volume varrido pelo pistão - antes do vapor exercer força no pistão.
Mecanismo Uniflow (ou Unaflow)
Os motores Uniflow são projetados para mitigar os desafios inerentes ao ciclo convencional de contrafluxo. Em sistemas de contrafluxo, durante cada curso, as portas e as paredes do cilindro são resfriadas pelo vapor de exaustão que sai, fazendo com que uma parte da energia do vapor de admissão mais quente seja gasta na restauração da temperatura operacional. O objetivo fundamental do projeto uniflow é corrigir esta ineficiência e melhorar o desempenho geral através da incorporação de uma porta auxiliar, que o pistão descobre na conclusão de cada curso, garantindo assim o fluxo de vapor unidirecional. Consequentemente, um motor uniflow de expansão simples pode atingir uma eficiência comparável à dos sistemas compostos tradicionais, com o benefício adicional de desempenho superior em carga parcial. Para motores com menos de mil cavalos de potência, a sua eficiência pode até rivalizar com a das turbinas. No entanto, o gradiente significativo de expansão térmica gerado ao longo da parede do cilindro em motores uniflow apresenta desafios práticos consideráveis.
Motores de turbina
Uma turbina a vapor compreende um ou mais rotores, que são discos giratórios fixados a um eixo de transmissão, intercalados com uma série de estatores, ou discos estáticos, presos dentro da carcaça da turbina. Os rotores apresentam pás semelhantes a hélices posicionadas ao longo de sua circunferência externa, sobre as quais o vapor colide para gerar movimento rotativo. Por outro lado, os estatores consistem em um conjunto semelhante, porém estacionário, de pás projetadas para redirecionar o fluxo de vapor para o estágio subsequente do rotor. Freqüentemente, uma turbina a vapor descarrega em um condensador de superfície, que estabelece vácuo. Os vários estágios de uma turbina a vapor são geralmente configurados para maximizar a extração de trabalho potencial do vapor em velocidades e pressões específicas, levando à implementação de estágios de alta e baixa pressão de dimensões variadas. As turbinas alcançam eficiência ideal somente quando operam em altas velocidades de rotação; conseqüentemente, eles são normalmente acoplados a engrenagens de redução para aplicações que exigem velocidades mais baixas, como hélices marítimas. Contudo, na maioria das instalações de geração eléctrica de grande escala, as turbinas estão directamente ligadas aos geradores sem engrenagens de redução. As velocidades operacionais padrão são 3.600 rotações por minuto (RPM) nos Estados Unidos, correspondendo a sistemas de energia de 60 Hertz, e 3.000 RPM na Europa e outras regiões que utilizam energia elétrica de 50 Hertz. Para aplicações de energia nuclear, o tamanho substancial das turbinas exige operação em metade dessas velocidades, especificamente 1.800 RPM e 1.500 RPM. Além disso, um rotor de turbina só pode gerar energia quando gira em uma única direção, exigindo assim um estágio reverso ou caixa de engrenagens quando a energia é necessária na direção oposta.
As turbinas a vapor fornecem inerentemente força rotacional direta, eliminando a necessidade de mecanismos de ligação complexos para converter movimento alternativo em movimento rotativo. Esta característica de projeto resulta na geração de forças rotacionais mais suaves no eixo de saída. Consequentemente, as turbinas a vapor apresentam requisitos de manutenção reduzidos e menos desgaste mecânico nas máquinas que acionam, especialmente quando comparadas com motores alternativos análogos.
A aplicação predominante das turbinas a vapor reside na geração de eletricidade; durante a década de 1990, aproximadamente 90% da produção global de eletricidade utilizou turbinas a vapor. No entanto, a recente proliferação de grandes unidades de turbinas a gás e de centrais eléctricas de ciclo combinado diminuiu esta proporção para cerca de 80% no caso das turbinas a vapor. Neste contexto, a elevada velocidade de rotação das turbinas alinha-se eficazmente com as velocidades operacionais dos geradores eléctricos modernos, que normalmente estão directamente acoplados aos seus motores principais. No serviço marítimo, as turbinas a vapor, notadamente pioneiras no Turbinia (embora o próprio Turbinia apresentasse acionamento direto da turbina à hélice sem engrenagens de redução), foram o método de propulsão dominante para grandes embarcações ao longo do final do século XX. Eles ofereceram eficiência superior e demandas de manutenção significativamente menores em comparação com motores a vapor alternativos. No entanto, nas últimas décadas, os motores alternativos a diesel e as turbinas a gás substituíram em grande parte a propulsão a vapor em aplicações marítimas.
Quase todas as usinas nucleares geram eletricidade aquecendo água para produzir vapor, que posteriormente aciona uma turbina conectada a um gerador elétrico. As embarcações movidas a energia nuclear, incluindo navios e submarinos, empregam turbinas a vapor diretamente para a propulsão principal, com geradores que fornecem energia auxiliar, ou através de um sistema de transmissão turboelétrico onde o vapor alimenta um conjunto turbogerador e os motores elétricos fornecem a propulsão. Um número restrito de locomotivas ferroviárias com turbina a vapor foi produzido. Algumas locomotivas sem condensação e de acionamento direto alcançaram certo sucesso em operações de carga de longa distância na Suécia e em serviços expressos de passageiros na Grã-Bretanha, embora esses projetos não tenham sido replicados. Em outras regiões, particularmente nos Estados Unidos, foram construídos projetos experimentais mais sofisticados que incorporavam transmissão elétrica, mas também não foram produzidos em massa. Em última análise, as turbinas a vapor revelaram-se subótimas para o ambiente ferroviário e estas locomotivas não substituíram a unidade alternativa de vapor convencional, ao contrário dos modernos sistemas de tração diesel e elétrica.
Motores a vapor de cilindro oscilante
Uma máquina a vapor de cilindro oscilante representa uma variante da máquina a vapor de expansão simples que elimina a necessidade de mecanismos de válvulas convencionais para regular o fluxo de vapor dentro do cilindro. Em vez disso, o próprio cilindro sofre um movimento oscilatório, alinhando as aberturas dentro de sua estrutura com as portas correspondentes em uma face estacionária ou no pivô do munhão. Embora sejam utilizados principalmente em aplicações e modelos em miniatura devido à sua simplicidade inerente, estes motores também encontraram utilidade em contextos operacionais em grande escala, particularmente em embarcações marítimas onde o seu design compacto oferece vantagens significativas.
Motores a vapor rotativos
Projetos alternativos exploraram a integração de mecanismos de motor rotativo sem pistão, semelhantes ao motor Wankel, como um substituto para os cilindros e trens de válvulas tradicionais encontrados em motores a vapor alternativos. Numerosos projetos para tais motores surgiram desde a era de James Watt; no entanto, um número limitado progrediu para a construção física e um número ainda menor alcançou a produção em massa. O principal desafio reside na vedação eficaz dos rotores para manter a estanqueidade ao vapor, especialmente dadas as complexidades introduzidas pelo desgaste e pela expansão térmica. Esta dificuldade inerente de vedação muitas vezes levava a vazamentos significativos de vapor, comprometendo gravemente a eficiência operacional. Além disso, muitos desses projetos sofriam com a ausência de princípios de funcionamento expansivos ou de mecanismos adequados para controle de corte, apresentando limitações críticas adicionais.
Na década de 1840, os desafios intrínsecos associados aos conceitos de motores rotativos tornaram-se evidentes, levando a um certo grau de ceticismo e escárnio nas publicações técnicas. No entanto, o surgimento da geração de energia elétrica, juntamente com os claros benefícios de acoplar diretamente um motor de alta velocidade a um dínamo, estimulou um ressurgimento do interesse por esses projetos durante as décadas de 1880 e 1890, resultando em um sucesso modesto para alguns poucos selecionados. Entre o número limitado de projetos de motores a vapor rotativos que alcançaram produção quantitativa, destacam-se aqueles desenvolvidos pela Hult Brothers Rotary Steam Engine Company em Estocolmo, Suécia, e o motor esférico da Torre Beauchamp. como particularmente digno de nota. Os motores da Tower encontraram aplicação na Great Eastern Railway, alimentando dínamos de iluminação em suas locomotivas, e também foram adotados pelo Almirantado para conduzir dínamos a bordo de navios da Marinha Real. Em última análise, as turbinas a vapor substituíram esses motores em suas aplicações especializadas.
Foguetes a Vapor
A eolípila exemplifica a aplicação de vapor utilizando o princípio da reação de foguete, embora não para força propulsiva direta.
As aplicações contemporâneas de vapor em foguetes foram restritas, principalmente no contexto de veículos movidos a foguetes. O princípio operacional dos foguetes a vapor envolve o carregamento de um vaso de pressão com água quente de alta pressão, seguido pela liberação controlada através de um bocal especializado por meio de uma válvula. A redução de pressão subsequente causa vaporização instantânea instantânea de uma porção da água, com o vapor resultante saindo do bocal para gerar impulso.
Em 1679, a carruagem experimental de Ferdinand Verbiest foi impulsionada por uma eolípila.
Considerações de segurança
Os motores a vapor incorporam caldeiras e outros componentes de retenção de pressão que armazenam energia potencial substancial. Historicamente, liberações descontroladas de vapor e explosões de caldeiras, frequentemente envolvendo explosões de vapor em expansão de líquido em ebulição (BLEVEs), resultaram em mortes significativas. Embora os padrões regulatórios possam variar internacionalmente, estruturas legais rigorosas, protocolos de testes abrangentes, treinamento especializado, práticas de fabricação meticulosas, procedimentos operacionais diligentes e processos de certificação são implementados para garantir a segurança.
Modos de falha potenciais abrangem:
- Sobrepressurização da caldeira.
- Níveis inadequados de água dentro da caldeira, levando ao superaquecimento e subsequente falha da embarcação.
- Acúmulo de sedimentos e incrustações, que pode induzir pontos quentes localizados, particularmente prevalentes em barcos fluviais que utilizam água de alimentação impura.
- Falha estrutural do vaso de pressão da caldeira, atribuível a construção precária ou manutenção insuficiente.
- Saída descontrolada de vapor da tubulação ou da caldeira, resultando em queimaduras.
As máquinas a vapor são normalmente equipadas com dois mecanismos distintos para evitar pressão excessiva na caldeira; um é normalmente ajustável pelo usuário, enquanto o outro funciona como um dispositivo à prova de falhas definitivo. Historicamente, estas válvulas de segurança incorporavam um sistema básico de alavanca para fixar uma válvula macho situada no ápice da caldeira. Um peso ou mola posicionado em uma extremidade da alavanca neutralizava a pressão interna do vapor na válvula. O ajuste das primeiras válvulas pelos operadores do motor frequentemente resultava em acidentes, pois os motoristas protegiam a válvula para permitir pressões de vapor mais altas e, conseqüentemente, extrair mais potência do motor. As válvulas de segurança modernas empregam um design ajustável com mola, que é protegido para evitar ajustes não autorizados pelos operadores, a menos que um selo inviolável seja ilicitamente comprometido. Esta configuração contemporânea aumenta significativamente a segurança operacional.
Os plugues fusíveis de chumbo às vezes são incorporados na coroa da fornalha de uma caldeira. Caso o nível da água diminua, provocando um aumento substancial na temperatura da coroa da fornalha, o chumbo derreterá, liberando vapor e alertando os operadores, que poderão então extinguir manualmente o fogo. Em todas as caldeiras, exceto nas menores, o vapor que escapa tem impacto mínimo na supressão do fogo. Além disso, os bujões são insuficientemente dimensionados para reduzir significativamente a pressão do vapor e despressurizar a caldeira. Por outro lado, se esses tampões fossem maiores, o aumento do volume de vapor escapando representaria um perigo direto para a tripulação.
Ciclo de Vapor
O ciclo Rankine constitui a base termodinâmica fundamental para a operação de máquinas a vapor. Este ciclo representa uma configuração de componentes comumente empregados para geração de energia básica, aproveitando as mudanças de fase da água – especificamente, fervendo água para produzir vapor e condensando o vapor de exaustão de volta em água líquida – para estabelecer um sistema eficaz de conversão de calor em energia. O calor é fornecido externamente a um sistema de circuito fechado, onde uma parte do calor adicionado é convertida em trabalho mecânico e o calor residual é dissipado em um condensador. O ciclo Rankine é universalmente aplicado em praticamente todos os sistemas de geração de energia a vapor. Durante a década de 1990, os ciclos de vapor Rankine foram responsáveis por aproximadamente 90% da produção global de eletricidade, abrangendo quase todas as instalações de energia solar, biomassa, carvão e nuclear. O ciclo foi nomeado em homenagem a William John Macquorn Rankine, um polímata escocês.
O ciclo Rankine é ocasionalmente denominado ciclo de Carnot prático, principalmente porque seu diagrama de temperatura-entropia (TS) se aproxima do ciclo de Carnot quando uma turbina eficiente é empregada. A principal distinção reside no fato de que a adição de calor (dentro da caldeira) e a rejeição de calor (dentro do condensador) são processos isobáricos (pressão constante) no ciclo Rankine, enquanto são processos isotérmicos (temperatura constante) no ciclo teórico de Carnot. Dentro do ciclo Rankine, uma bomba é utilizada para pressurizar o fluido de trabalho, que é recebido do condensador em sua fase líquida e não como gás. Bombear o fluido de trabalho como líquido ao longo do ciclo exige significativamente menos energia para o seu transporte em comparação com a energia necessária para comprimir o fluido de trabalho no seu estado gasoso dentro de um compressor, como é característico do ciclo de Carnot. O ciclo operacional de uma máquina a vapor alternativa diverge daquele das turbinas devido aos fenômenos de condensação e reevaporação que ocorrem dentro do cilindro ou nas passagens de entrada de vapor.
O fluido de trabalho dentro de um ciclo Rankine pode funcionar como um sistema de circuito fechado, onde é continuamente reciclado, ou como um sistema de circuito aberto, onde o vapor de exaustão é descarregado diretamente na atmosfera e a caldeira é abastecida por uma fonte de água distinta. A água é normalmente o fluido preferido devido às suas propriedades vantajosas, incluindo a sua natureza química não tóxica e não reativa, ampla disponibilidade, baixo custo e características termodinâmicas favoráveis. Mercúrio serve como fluido de trabalho em turbinas a vapor de mercúrio. Hidrocarbonetos de baixo ponto de ebulição podem ser empregados em um ciclo binário.
Embora a máquina a vapor tenha avançado significativamente a teoria termodinâmica, as aplicações diretas dos princípios científicos que influenciaram seu desenvolvimento foram limitadas aos conceitos fundamentais de aproveitamento da energia do vapor e da pressão atmosférica, juntamente com a compreensão do calor e das propriedades do vapor. Medições experimentais conduzidas por Watt em um modelo de máquina a vapor foram fundamentais para a invenção do condensador separado. Watt identificou de forma independente o calor latente, uma descoberta posteriormente corroborada pelo seu descobridor original, Joseph Black, que também forneceu orientação sobre metodologias experimentais. Watt também estava ciente da relação entre o ponto de ebulição e a pressão da água. Além desses insights, as melhorias no próprio motor foram predominantemente mecânicas. No entanto, os princípios termodinâmicos do ciclo Rankine forneceram aos engenheiros a estrutura necessária para calcular a eficiência, facilitando assim o avanço das modernas caldeiras de alta pressão e alta temperatura e da turbina a vapor.
Eficiência
A eficiência de um ciclo de motor é determinada dividindo o trabalho mecânico produzido pelo motor pela energia total fornecida a ele.
Historicamente, a eficiência energética de uma máquina a vapor era quantificada pela sua “função”. Este conceito, inicialmente proposto por Watt, serviu para demonstrar a eficiência superior dos seus motores em comparação com os modelos anteriores da Newcomen. O dever é definido como a quantidade de libras-pé de trabalho produzidas a partir da combustão de um alqueire (94 lb (43 kg)) de carvão. Os projetos mais eficazes de Newcomen alcançaram uma taxa de aproximadamente 7 milhões, embora a maioria normalmente variasse em torno de 5 milhões. Os projetos iniciais de baixa pressão de Watt poderiam atingir uma capacidade de até 25 milhões, com uma média de cerca de 17 milhões, representando um aumento triplo em relação ao projeto típico de Newcomen. Os motores Watt subsequentes, incorporando vapor de alta pressão, elevaram ainda mais esse desempenho para 65 milhões.
A eficiência máxima teórica para uma máquina a vapor é estabelecida pelo ciclo de Carnot, um processo termodinâmico idealizado. Este ciclo modela um sistema composto por dois reservatórios térmicos, entre os quais é trocado calor. Dentro de uma máquina a vapor, uma parte desse calor transferido é transformada em trabalho mecânico. A eficiência do motor é diretamente proporcional ao diferencial de temperatura entre esses dois reservatórios. O emprego de vapor superaquecido representa um método para aumentar essa diferença de temperatura.
A eficiência de um ciclo Rankine é normalmente limitada pelas propriedades do seu fluido de trabalho. A menos que o fluido de trabalho atinja pressão supercrítica, a faixa de temperatura operacional do ciclo permanece limitada. Por exemplo, em turbinas a vapor, as temperaturas de entrada geralmente atingem 565 °C (1.049 °F; 838 K), o que corresponde ao limite de fluência do aço inoxidável, enquanto as temperaturas do condensador são de aproximadamente 30 °C (86 °F; 303 K). Esta configuração produz uma eficiência teórica de Carnot de aproximadamente 64%, contrastando com uma eficiência real de 42% observada em centrais eléctricas a carvão contemporâneas. A temperatura de entrada da turbina comparativamente baixa, em relação às turbinas a gás, explica por que o ciclo Rankine frequentemente funciona como um ciclo de fundo em usinas de turbina a gás de ciclo combinado. Uma vantagem significativa do ciclo Rankine sobre os ciclos termodinâmicos alternativos é a entrada mínima de trabalho necessária para a bomba durante a fase de compressão, já que o fluido de trabalho está em seu estado líquido. Através da condensação, o consumo de energia da bomba é reduzido para apenas 1% a 3% da saída da turbina (ou motor alternativo), aumentando assim substancialmente a eficiência global de um ciclo prático. Contudo, esta vantagem é parcialmente compensada pela menor temperatura de adição de calor inerente ao ciclo Rankine. Em contraste, as turbinas a gás podem atingir temperaturas de entrada da turbina próximas de 1.500 °C (2.730 °F; 1.770 K). Apesar disso, as eficiências dos ciclos de vapor operacionais em grande escala e das modernas turbinas a gás de ciclo simples são notavelmente comparáveis. Na prática, um ciclo alternativo de máquina a vapor que expele vapor para a atmosfera normalmente exibe uma eficiência geral (incluindo a caldeira) variando de 1% a 10%. No entanto, melhorias significativas podem ser obtidas através da incorporação de um condensador, válvulas Corliss, múltiplos estágios de expansão e elevada pressão/temperatura de vapor. Historicamente, essas melhorias levaram a eficiência para a faixa de 10% a 20%, com casos raros excedendo ligeiramente esse valor. Grandes centrais elétricas contemporâneas, gerando várias centenas de megawatts de produção elétrica e empregando recursos como reaquecimento de vapor e economizadores, alcançam eficiências na faixa média de 40%, com as unidades mais avançadas se aproximando de 50% de eficiência térmica.
Notas
Notas
Referências
Livros
- Howstuffworks – "Como funcionam os motores a vapor"
- Vídeo da máquina a vapor de 1900 a bordo do navio a vapor Unterwalden