Um motor de combustão externa que produz energia mecânica através do uso de vapor de água é chamado de motor a vapor. Em particular, a energia térmica é transformada em vapor mecânico de geração de energia.
O calor é gerado pela queima de combustíveis fósseis. Normalmente, grandes quantidades de carvão são usadas, mas também podem ser provenientes de madeira, reações nucleares ou até energia solar.
É uma das invenções mais importantes da revolução industrial no século XIX.
Como funciona um motor a vapor?
A operação básica de um motor a vapor é baseada nas seguintes etapas:
-
Gere uma fonte de calor para ferver a água.
-
A água se transforma em vapor.
-
Aproveite a pressão do vapor para ativar um mecanismo mecânico.
Gerador de vapor ou caldeira
Uma parte essencial do sistema é o gerador de vapor ou a caldeira. Na caldeira, é aquecido na água e convertido em vapor através da administração de calor. O vapor é então enviado ao mecanismo, que pode ser de dois tipos básicos:
-
Motor alternativo, empurrando um pistão.
-
Motor rotativo, dirigindo uma turbina a vapor.
Motor alternativo de um motor a vapor
No motor alternativo, o vapor move as válvulas de atuação que permitem que o pistão seja empurrado de ambos os lados. Em cada rotação do motor, há duas fases ativas. Nos motores térmicos de combustão interna, geralmente há uma expansão a cada 4 fases (motor a 4 tempos).
A partir da segunda metade de 1800, quase todos os motores a vapor usavam dois, três e até quatro cilindros em série para motores de expansão dupla e tripla.
Turbinas de vapor
A turbina é completamente substituída em motores alternativos marítimos. Mais tarde, motores de combustão interna e turbinas a gás foram substituídos. As turbinas a vapor permanecem em uso, especialmente em usinas de energia, como força motriz para acionar alternadores trifásicos.
Em aplicações tradicionais, hoje o motor a vapor foi quase completamente substituído pelo motor de combustão interna. Comparado ao motor a vapor, o motor térmico é mais compacto e potente e não requer a fase de pré-aquecimento para pressionar a caldeira.
Quem inventou o motor a vapor?
O inventor do primeiro motor a vapor foi Thomas Savery em 1698. Este primeiro motor foi uma bomba de água.
O inventor do motor a vapor como o conhecemos hoje foi James Watt (1769).
Este primeiro motor a vapor comercial foi uma bomba de água. Savery usou vapor de condensação para criar um vácuo que permitia que a água subisse de baixo. Em seguida, foi fornecida pressão para levantá-lo ainda mais.
O motor de Savery era usado em minas, estações de bombeamento e fornecimento de água às rodas hidráulicas que alimentavam máquinas têxteis. O motor a vapor de Savery era barato.
Mais tarde, apareceu o primeiro motor a vapor de pistão: O primeiro motor comercialmente bem-sucedido que poderia transmitir energia contínua a uma máquina foi o atmosférico, inventado por Thomas Newcomen por volta de 1712. O Newcomen melhorou a bomba de vapor Savery, usando um pistão como Papin sugeriu.
A máquina Newcomen se tornou o primeiro motor comercialmente bem-sucedido, usando o princípio do pistão e do cilindro. Este foi o tipo fundamental de motor a vapor usado até o início do século XX.
Somente no final do século XVIII existiram motores a vapor confiáveis e eficientes quando foram feitas as primeiras tentativas sérias de propulsão a vapor naval.
Máquina de vapor de James Watt
O motor a vapor de James Watt é o resultado das melhorias de Watt na máquina Newcomen (1769).
Essas melhorias, em parte graças às investigações termodinâmicas de Joseph Black, levaram à fabricação do atual motor a vapor.
Wat era um engenheiro mecânico, inventor e químico escocês, formado na Universidade de Glasgow. Juntamente com o fabricante inglês Matthew Boulton, eles fundaram a empresa Boulton e Watt. Esta empresa foi uma das primeiras no ramo de projeto e fabricação de motores a vapor.
Em homenagem a James, a unidade de energia elétrica é chamada de watt no sistema internacional de medição.
Características do motor a vapor de Watt
-
Tinha uma câmara separada para condensação de vapor.
-
Os custos foram mais baixos que os da máquina Newcomen.
-
Evitou a perda de vapor produzido em cada ciclo. Para fazer isso, Watt isolou o cilindro para que permanecesse na temperatura do vapor.
-
A câmara de condensação separada foi refrigerada a ar.
-
Na câmara de condensação, havia uma bomba para fazer um vácuo para absorver o vapor do cilindro para o condensador.
-
Ele trabalhou com pressão de vapor em vez de pressão atmosférica para obter movimento.
-
Permitiu converter o movimento linear dos pistões em um movimento circular.
-
Tinha válvulas de borboleta para limitar a velocidade. Também possuía reguladores que mantinham automaticamente uma velocidade operacional estável.
O próximo grande avanço foi o surgimento de motores práticos sem condensação. No entanto, Watt não conseguiu aperfeiçoar esses tipos de máquinas.
O que é a máquina Papin?
A máquina de Papin é uma versão aprimorada dos primeiros motores a vapor.
A máquina do inventor francês Denis Papin consistia em uma caldeira de água selada. Primeiramente, foi submetido a uma fonte de calor até a obtenção de vapor. A pressão do vapor empurrou o pistão.
Posteriormente, a caldeira foi submetida a uma fonte de frio. Dessa maneira, o vapor condensou e o pistão baixou.
Papin inventou e primeiro usou uma válvula de segurança no projeto de uma caldeira a vapor.
