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Os 5 tipos de máquinas a vapor principais
Os diferentes tipos de motores a vapor Eles sofreram muitas mudanças ao longo da história e continuamente a tecnologia permitiu que eles evoluíssem de maneira notável.
Essencialmente, são motores de combustão externa que convertem a energia térmica do vapor de água em energia mecânica.
Eles foram usados para dirigir bombas, locomotivas, navios e tratores, sendo na época essencial para a Revolução Industrial. Atualmente eles são usados para a geração de energia elétrica usando turbinas a vapor.
Um motor a vapor consiste em uma caldeira que é usada para ferver água e produzir vapor. O vapor se expande e empurra um pistão ou turbina, cujo movimento faz o trabalho de girar as rodas ou de dirigir outras máquinas.
O primeiro motor a vapor foi inventado por Heron de Alexandria no primeiro século e foi chamado eolípila.
Consistia de uma esfera oca conectada a uma caldeira à qual dois tubos curvados estavam presos. A esfera estava cheia de água fervendo, fazendo com que o vapor fosse ejetado pelos tubos em alta velocidade, girando a bola.
Embora a eolipila não tenha um propósito prático, ela representa, sem dúvida, a primeira aplicação do vapor como fonte de propulsão.
No entanto, a maioria dos sistemas que usam vapor pode ser dividida em dois tipos: máquinas de pistão e turbinas a vapor.
Principais tipos de motores a vapor
1- máquinas de pistão
Máquinas de pistão usam vapor pressurizado. Através de pistões de ação dupla, o vapor pressurizado entra alternadamente em cada lado, enquanto no outro é liberado ou enviado para um condensador.
A energia é absorvida por uma barra deslizante selada contra a fuga de vapor. Esta haste, por sua vez, aciona uma biela conectada a uma manivela para converter o movimento alternativo em movimento giratório.
Além disso, outra manivela é usada para acionar a engrenagem da válvula, geralmente através de um mecanismo que permite a reversão do movimento rotativo.
Quando um par de pistões de ação dupla é usado, o avanço da manivela é compensado em 90 graus. Isso garante que o motor sempre funcione, não importa em que posição a manivela esteja.
2- Múltiplos Motores de Expansão
Outro tipo de motor a vapor usa vários cilindros de ação simples que aumentam seu diâmetro e movimento progressivamente.
O vapor de alta pressão da caldeira é usado para acionar o primeiro pistão de menor diâmetro para baixo.
No movimento ascendente, o vapor parcialmente expandido é conduzido para um segundo cilindro que está iniciando seu movimento descendente.
Isso 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.
O desenvolvimento deste tipo de motor foi importante para seu uso em navios a vapor, pois o condensador, ao recuperar um pouco da energia, converteu o vapor novamente em água para seu reaproveitamento na caldeira.
Os motores a vapor terrestres podiam exaurir muito do seu vapor e ser enchidos com uma torre de água doce, mas no mar isso não era possível.
Antes e durante a Segunda Guerra Mundial, o motor de expansão era usado em veículos marítimos que não precisavam ir em alta velocidade. No entanto, quando mais velocidade foi necessária, ela foi substituída pela turbina a vapor.
3- Motor Uniflow de fluxo uniforme
Outro tipo de máquina de pistão é o uniflow ou motor de fluxo uniforme. Este tipo de motor usa vapor que só flui em uma direção em cada metade do cilindro.
A eficiência térmica é obtida com um gradiente de temperatura ao longo do cilindro. O vapor entra sempre pelas extremidades quentes do cilindro e sai pelas aberturas no centro do refrigerador.
Isso resulta em uma redução do aquecimento e resfriamento relativo das paredes do cilindro.
Nos motores uniflow, a entrada de vapor é geralmente controlada por válvulas de haste (que funcionam de maneira semelhante às usadas em motores de combustão interna) que são acionadas por um eixo de comando de válvulas.
As válvulas de entrada abrem para admitir vapor quando o volume mínimo de expansão é atingido no início do movimento.
Em um momento específico do retorno da manivela, o vapor entra e a entrada da tampa é fechada, permitindo a expansão contínua do vapor, ativando o pistão.
No final do movimento, o pistão descobrirá um anel de orifícios de escape em torno do centro do cilindro.
Esses orifícios são conectados ao condensador, diminuindo a pressão na câmara causando uma liberação rápida. A rotação contínua da manivela é o que move o pistão.
4- turbinas a vapor
As turbinas a vapor de alta potência usam uma série de discos rotativos que contêm uma espécie de lâminas do tipo hélice na borda externa.
Estes discos móveis ou rotores alternam com anéis estacionários ou estatores, fixados à estrutura da turbina para redirecionar o fluxo de vapor.
Devido à alta velocidade de operação, tais turbinas são normalmente conectadas a uma engrenagem de redução para acionar outro mecanismo, como a hélice de um navio.
As turbinas a vapor são mais duráveis e exigem menos manutenção que as máquinas de pistão. Eles também produzem forças de rotação mais suaves em seu eixo de saída, o que contribui para reduzir os requisitos de manutenção e diminuir o desgaste.
O principal uso de turbinas a vapor é nas estações de geração de eletricidade, onde sua alta velocidade de operação é uma vantagem e seu volume relativo não é uma desvantagem.
Eles também são usados em aplicações marítimas, impulsionando grandes embarcações e submarinos. Praticamente todas as usinas nucleares geram eletricidade aquecendo a água e alimentando as turbinas a vapor.
5- motores de propulsão
Há um motor de propulsão submarino que usa vapor de alta pressão para extrair água através de um soquete na frente e ejetá-lo em alta velocidade pela parte traseira.
Quando o vapor se condensa na água, cria-se uma onda de choque que expele a água por trás.
Para melhorar a eficiência do motor, o motor retira o ar através de uma abertura na frente do jato de vapor, o que cria bolhas de ar e altera a maneira como o vapor se mistura com a água.
Referências
- Cérebro Marshall (2017). "Como funcionam os motores a vapor". Consultado em 14 de junho de 2017 em science.howstuffworks.com.
- Enciclopédia do Novo Mundo (2015). "Motor a vapor". Recuperado em 14 de junho de 2017 em newworldencyclopedia.org.
- SOS Children (2008-2009). "Motor a vapor". Consultado em 14 de junho de 2017 em cs.mcgill.ca.
- Woodford, Chris (2017). "Motores a vapor" Retirado em 14 de junho de 2017 em explainthatstuff.com.