Trem de vapor

Maquina de vapor

Industrial 
steam machine

Tipos de máquinas a vapor

Tipos de máquinas a vapor

Os motores a vapor são dispositivos mecânicos capazes de transformar a energia térmica em energia mecânica em um eixo rotativo. Esta energia térmica aproveita a energia contida no vapor de água a alta pressão e temperatura.

Consideramos as máquinas a vapor todas aquelas máquinas que transformam a energia térmica de um fluido em energia mecânica. Em geral, o fluido deve ser pré-aquecido e, na saída da máquina a vapor, deve ser arrefecido para repetir o processo.

As máquinas a vapor podem ser classificadas nesses dois tipos:

  • Motor a vapor do êmbolo
  • Turbine steam engine

Motor a vapor de êmbolo

As máquinas de vapor de pistão são as primeiras máquinas a vapor que foram desenvolvidas usando um pistão ou pistão acoplado a um mecanismo do tipo virabrequim do pistão-haste. Este mecanismo foi aplicado ao vapor a alta pressão e temperatura sincronizada com um conjunto de válvulas para obter uma energia cinética e, portanto, um movimento mecânico.

O vapor de água é gerado em um gerador de vapor, como uma caldeira. O vapor é introduzido em uma câmara onde há uma válvula de controle. Esta válvula de controle é accionada de forma sincronizada por um mecanismo acoplado ao cambota da máquina. O movimento de deslocamento da válvula de controle faz com que a câmara de entrada, onde o vapor de alimentação, se comunique alternadamente com a parte superior ou inferior do pistão. O vapor empurra o êmbolo em ambas as direções para girar o virabrequim. Ao mesmo tempo, esta válvula de controle estabelece a comunicação do lado oposto do êmbolo, até a conduta de saída para liberar o vapor frio e a baixa pressão inútil. A temperatura e pressão do vapor de saída não são suficientemente altas para continuar a usar sua energia neste tipo de máquina.

Esta máquina de vapor elementar é muito ineficiente. O vapor descarregado para o exterior ainda está quente e sob pressão suficiente para fazer um trabalho mais útil. Para melhorar a eficiência deste tipo de máquina a vapor, são utilizadas máquinas de vários estágios. Em máquinas de fase de vários estágios de eliminação de vapor é introduzida na outra com um maior para obter êmbolo mais ainda energia contendo

.

O vapor de um estágio é introduzido no seguinte para conduzir um pistão cada vez maior. Desta forma, a energia da saída final de vapor foi maximizada.

Este aumento no tamanho do pistão é necessário para que cada etapa do motor a vapor possa fornecer aproximadamente a mesma força motriz. Devemos considerar que cada vez que o vapor tem menos pressão. Aumentar o tamanho do êmbolo aumenta sua superfície. De acordo com as leis da física, a força de empurrar é o produto da pressão, pela área do pistão.

Dentro das máquinas de pistão destacamos os seguintes tipos:

Motor a vapor de expansão múltipla

Motor a vapor de pistão

O motor a vapor de expansão múltipla é outro tipo de motor a vapor. Este motor usa vários cilindros de ação simples. Cada cilindro tem um diâmetro e movimento maiores do que o anterior.

Com o vapor de alta pressão da caldeira, o primeiro pistão é accionado, o pistão com menor diâmetro para baixo.

No movimento ascendente do primeiro pistão, o vapor parcialmente expandido é conduzido para um segundo cilindro que está começando seu movimento para baixo.

A redução do segundo pistão gera uma expansão adicional da pressão relativamente alta liberada na primeira câmara.

Além disso, a câmara intermediária descarrega para a câmara final, que por sua vez é liberada para um condensador. Uma modificação deste tipo de motor incorpora dois pistões menores na última câmara.

As características deste tipo de máquina a vapor tornaram-no um motor ideal para uso em navios de vapor. A vantagem era que o condensador, recuperando um pouco do poder, converti o vapor de volta na água que poderia ser reutilizado na caldeira.

As máquinas a vapor terrestres, esta vantagem não era tão importante. As máquinas terrestres podiam esgotar grande parte do seu vapor e ser preenchidas com uma torre de água doce, mas no mar não era uma dificuldade adicional.

Antes e durante a Segunda Guerra Mundial, o motor de expansão foi usado em veículos marítimos que não precisavam ir em alta velocidade. No entanto, quando era necessária mais velocidade, foi substituída pela turbina a vapor.

Motor de fluxo uniforme ou uniforme

Outro tipo de máquina de pistão é o motor de fluxo uniforme ou uniforme. Este tipo de motor usa vapor que só flui em uma direção em cada metade do cilindro.

A eficiência térmica desta máquina a vapor é conseguida com um gradiente de temperatura ao longo do cilindro. O vapor entra sempre pelas extremidades quentes do cilindro e sai através das aberturas no centro do refrigerador.

Desta forma, o aquecimento relativo e o arrefecimento das paredes do cilindro são reduzidos.

Em máquinas a vapor uniformes, a entrada de vapor geralmente é controlada por válvulas de haste que são conduzidas por um eixo de cames. As válvulas de haste funcionam de forma semelhante às utilizadas nos motores de combustão interna.

As válvulas de entrada são abertas para admitir vapor quando o volume de expansão mínimo é atingido no início do movimento.

Em certo momento do retorno da manivela, o vapor entra e a entrada da tampa é fechada, permitindo a expansão contínua do vapor. A entrada de vapor permite que o pistão seja operado, transmitindo uma certa energia cinética.

No final do movimento, o pistão descobrirá um anel de orifícios de escape ao redor do centro do cilindro. Esses orifícios estão conectados ao condensador. Esta ação diminuirá a pressão na câmara causando uma liberação rápida. A rotação contínua da manivela é o que move o pistão.

Turbina a vapor

Turbinas a vapor As máquinas de vapor de turbina são o próximo passo evolutivo para máquinas de pistão.

As antigas máquinas a vapor deram lugar às turbinas. As turbinas a vapor Turbine melhoram a sua durabilidade, segurança, simplicidade relativa e são mais eficientes. Na turbina, um jato de vapor de água em alta pressão e temperatura. Este jato de vapor é adequadamente influenciado em uma hélice com lâminas com uma determinada seção. Durante a passagem do vapor entre as lâminas da hélice, esta expande e esfria a entrega da energia e empurre as lâminas para girar a hélice colocada no eixo de saída da turbina.

As turbinas de vapor de alta potência usam uma série de discos rotativos que contêm um tipo de lâminas de hélice na sua borda externa. Estes discos móveis ou rotores alternam com anéis estacionários ou estatores, fixados na estrutura da turbina para redirecionar o fluxo de vapor.

Com este mecanismo é obtida uma velocidade de rotação muito alta. Devido à alta velocidade, as turbinas estão normalmente conectadas ao redutor para converter a energia cinética em potência. O redutor está conectado a outro mecanismo, como a hélice de um navio.

As turbinas de vapor requerem menos manutenção e são mais duráveis do que as máquinas de pistão. As forças de rotação que produzem são mais suaves no seu eixo de saída, o que contribui para menos desgaste e menos manutenção.

O uso principal de turbinas a vapor está nas estações de geração de eletricidade. Neste tipo de aplicação, sua alta velocidade de operação é uma vantagem e seu volume relativo não é uma desvantagem. Tanto no campo das usinas termelétricas quanto na energia nuclear, esse tipo de motor a vapor é usado. Praticamente todas as usinas de energia nuclear geram eletricidade, aquecendo a água e alimentando turbinas a vapor.

Outra aplicação de turbinas a vapor é a unidade de grandes navios e submarinos.

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Última revisão: 16 de novembro de 2017