As máquinas a vapor podem ser classificadas nesses dois tipos:
- Máquina de vapor com êmbolo. Este tipo de máquina utiliza um pistão ou pistão acoplado a um mecanismo do tipo biela do pistão da cambota. Dentro deste tipo pode ser.
- Motor a vapor de expansão múltipla
- Motor de fluxo uniforme ou uniforme
- Máquina de vapor de turbinas
Um motor a vapor é um motor de combustão externa capaz de transformar energia térmica em energia mecânica em um eixo rotativo. Essa energia térmica aproveita a energia contida no vapor de água a alta pressão e temperatura.
Consideramos máquinas a vapor todas aquelas que transformam a energia térmica de um fluido em energia mecânica. Em geral, o fluido deve ser pré-aquecido e a saída da máquina a vapor deve ser resfriada para repetir o processo.
Esses tipos de máquinas são o resultado das melhorias que James Watt fez na máquina Thomas Newcomen. Posteriormente, o motor a vapor, que seria essencial no desenvolvimento da primeira Revolução Industrial.
Máquina de vapor com êmbolo
Os motores a vapor com êmbolo são os primeiros motores a vapor desenvolvidos usando um êmbolo ou pistão acoplado a um mecanismo do tipo biela do pistão da cambota. Nesse mecanismo, o vapor era aplicado a alta pressão e temperatura, sincronizado com um conjunto de válvulas para obter energia cinética e, portanto, movimento mecânico.
Como funciona uma máquina a vapor com êmbolo?
O vapor de água é gerado em um gerador de vapor, como uma caldeira. O vapor é introduzido em uma câmara onde existe uma válvula de controle. Esta válvula de controle é acionada de forma síncrona por um mecanismo acoplado ao virabrequim da máquina. O movimento de deslocamento da válvula de controle faz com que a câmara de entrada, onde o vapor de suprimento está, se comunique alternadamente, na parte superior ou inferior do pistão.
O vapor empurra o êmbolo nas duas direções para girar a cambota. Ao mesmo tempo, esta válvula de controle estabelece comunicação no lado oposto do pistão, com o duto de saída para liberar vapor frio e inútil a baixa pressão. A temperatura e a pressão do vapor de saída não são altas o suficiente para continuar aproveitando sua energia neste tipo de máquina.
Como o melhor desempenho é alcançado por máquinas de vários estágios?
Este motor a vapor elementar é muito ineficiente. O vapor derramado ainda está quente e com pressão suficiente para realizar um trabalho mais útil. Máquinas de vários estágios são usadas para melhorar a eficiência desse tipo de máquina a vapor. Em máquinas de vários estágios, o vapor residual de um estágio é alimentado em outro com um pistão maior para utilizar ainda mais a energia que ele contém.
O vapor de um estágio é introduzido no seguinte para acionar um pistão cada vez maior. Dessa maneira, a energia do vapor final produzido foi totalmente explorada.
Esse aumento no tamanho do pistão é necessário para que cada estágio do motor a vapor possa fornecer aproximadamente a mesma força motriz. Deve-se 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 empuxo é o produto da pressão, por área do pistão.
Dentro das máquinas de pistão, destacamos os seguintes tipos:
- Motor a vapor de expansão múltipla.
- Motor de fluxo uniforme ou uniforme.
Como funciona o mecanismo a vapor de expansão múltipla?
O mecanismo a vapor de expansão múltipla é outro tipo de mecanismo a vapor. Este mecanismo usa vários cilindros de ação simples. Cada cilindro tem um diâmetro e movimento maiores que o anterior.
Com o vapor de alta pressão da caldeira, o primeiro pistão, o pistão de menor diâmetro, é empurrado para baixo.
No movimento ascendente do primeiro pistão, o vapor parcialmente expandido é acionado dentro de um segundo cilindro que inicia seu movimento descendente.
Abaixar o segundo pistão gera uma expansão adicional da pressão relativamente alta liberada na primeira câmara.
Além disso, a câmara intermediária descarrega na 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 motor a vapor fizeram dele um motor ideal para uso em navios a vapor. A vantagem era que o condensador, recuperando um pouco da energia, convertia o vapor novamente em água que poderia ser reutilizada na caldeira.
Motores a vapor terrestres essa vantagem não era tão importante. Máquinas terrestres podiam esgotar muito do seu vapor e ser recarregadas de uma torre de água doce, mas no mar isso não era possível.
Antes e durante a Segunda Guerra Mundial, o mecanismo de expansão era usado em veículos marítimos que não precisavam ir em alta velocidade. No entanto, quando mais velocidade era necessária, ela era substituída pela turbina a vapor.
Como funciona o motor de fluxo uniforme ou suave?
Outro tipo de máquina de êmbolo é o motor de fluxo uniforme ou uniforme. Esse tipo de motor usa vapor que flui apenas em uma direção em cada metade do cilindro.
A eficiência térmica deste motor a vapor é obtida com um gradiente de temperatura no cilindro. O vapor sempre entra pelas extremidades quentes do cilindro e sai pelas aberturas no centro do refrigerador. Desta forma, o aquecimento e o resfriamento relativos das paredes do cilindro são reduzidos.
Em motores a vapor uniflow, a entrada de vapor geralmente é controlada por válvulas de haste que são acionadas por uma árvore de cames. As válvulas de haste operam de maneira semelhante às usadas em motores de combustão interna.
As válvulas de entrada se abrem para admitir vapor quando o volume mínimo de expansão é atingido no início do movimento.
A certa altura da manivela, o vapor entra e a entrada da bucha é fechada, permitindo a expansão contínua do vapor. A entrada do vapor permite acionar o pistão transmitindo uma certa energia cinética a ele.
No final do movimento, o pistão descobrirá um anel de orifícios de escape em torno 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.
Máquina de vapor de turbinas
Os principais usos das máquinas a vapor para turbinas são:
- Geração de eletricidade. As máquinas de turbina têm uma alta velocidade de operação que as torna ideais para acionar um gerador elétrico. Atualmente, esses tipos de máquinas são usados em usinas nucleares ou termelétricas. Com menos frequência, eles também são usados no campo da energia solar em usinas de energia solar térmica.
- Motores de propulsão marítima: é um motor usado em submarinos, que utiliza vapor de alta pressão para levar a água através de uma entrada localizada na frente e expulsá-lo em alta velocidade pela retaguarda.
Os velhos motores a vapor estão dando lugar às turbinas. Os motores a vapor de turbina melhoram a durabilidade, a segurança, a relativa simplicidade e são mais eficientes.
A turbina recebe um jato de vapor d'água a alta pressão e temperatura. Este jato de vapor é adequadamente incidente em uma hélice com pás com uma determinada seção. Durante a passagem de vapor entre as pás da hélice, ela se expande e esfria, fornecendo energia e empurrando as pás para girar a hélice colocada no eixo de saída da turbina.
As turbinas a vapor de alta potência usam uma série de discos rotativos que contêm um tipo de pás do tipo hélice em sua borda externa. Esses discos ou rotores móveis se alternam com anéis ou estatores estacionários, conectados à estrutura da turbina para redirecionar o fluxo do vapor. Com este mecanismo, é obtida uma velocidade de rotação muito alta.
Devido à alta velocidade, as turbinas são normalmente conectadas a um redutor para converter a energia cinética em energia. O redutor está conectado a outro mecanismo, como a hélice de um navio.
As turbinas a vapor requerem menos manutenção e são mais duráveis que as máquinas de pistão. As forças de rotação que produzem são mais suaves no eixo de saída, contribuindo para menos desgaste e menos manutenção.
Onde são usadas as máquinas a vapor de turbina?
O principal uso de turbinas a vapor é em estações de geração de eletricidade. Nesse tipo de aplicação, sua alta velocidade de operação é uma vantagem e seu volume relativo não é uma desvantagem. Tanto nos campos de usinas termelétricas quanto na energia nuclear, esse tipo de motor a vapor é usado. Praticamente todas as usinas nucleares geram eletricidade aquecendo a água e alimentando turbinas a vapor.
Outra aplicação dos motores a vapor de turbinas é a movimentação de grandes navios e submarinos. Esses barcos fazem uso de vapor de alta pressão para levar a água através de uma entrada localizada na frente e depois expulsá-lo em alta velocidade pela retaguarda.