máquina a vapor

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máquina a vapor

Um motor de vapor é uma condução máquina que transforma térmica de energia em energia mecânica por meio de vapor de água . O calor é geralmente produzido pela combustão de um combustível fóssil, fóssil carvão , madeira ou hidrocarboneto gás de petróleo, óleo combustível , mas também resíduos térmica a partir de processos industriais.

História

As primeiras experiências

Desde Hellenism, a presença de experiências foi documentada para explorar a energia derivada da expansão de compostos devido à líquido- gasoso de transição de fase de vapor de água. Entre estes recordamos o aeolipile de Heron de Alexandria , uma máquina composta de uma esfera de cobre oco cheio de água, com os braços tangenciais opostos equipados com um orifício de saída; pela aplicação de uma fonte de calor perto do recipiente que contém a água, a água vaporizado e o vapor de água veio para fora dos orifícios, fazendo com que a esfera em si para girar.

Devemos lembrar de Leonardo da Vinci tenta usar vapor com sua máquina chamada Archituonus, e em 1606 os experimentos de Giovanni Battista Della Porta que conseguiram usá-lo como uma força motriz . Experimentos semelhantes aos de Della Porta, também foram realizadas pelo engenheiro Salomon de Caus , que em 1615 publicou um tratado em seu sistema que contém uma bomba de vapor.

Bomba de vapor de Thomas Savery

Em tempos mais recentes, as primeiras aplicações de vapor pode ser rastreada até os experimentos de Denis Papin e sua panela de pressão de 1679 a partir do qual ele começou a ideias Conceber sobre como desenvolver o uso de vapor. As aplicações subsequentes tiveram lugar no início do século 18 , especialmente por bombagem de água de minas, com o sistema concebido em 1698 por Thomas Savery usando o vácuo criado pela condensação de vapor introduzido num recipiente (o que permitiu a elevação da água até cerca de 10 m de altura), e depois, graças à invenção do sistema de cilindro-êmbolo (provavelmente devido a Denis Papin), convertendo a energia do vapor em movimento mecânico, capaz de gerar um trabalho. O primeiro exemplo de aplicação industrial deste conceito é máquina de Newcomen , de 1705 , que foi no entanto grande, não muito potente, caro, e acima de tudo, implementado apenas um movimento alternativo, por esta razão, também foi geralmente utilizado apenas para a extracção de água das minas.

No início, o motor a vapor trabalhou a baixa pressão: o vapor foi produzido e imediatamente saiu da caldeira ao cilindro; estes motores foram consequentemente enorme em comparação com a potência entregue; instalação em veículos autopropulsados ​​necessária a concepção de motores menores e mais leves com a mesma potência; por esta razão, os motores de alta pressão foram criados, isto é, eles acumulado a pressão no interior da caldeira, em vez de expelindo-a para dentro do cilindro, uma vez que foi produzida. Só mais tarde, no entanto, graças à invenção do condensador externo, a distribuição gaveta e o mecanismo de biela-manivela (que permitiu a criação de um movimento rotativo, em vez de apenas um uma alternativa como até, em seguida), todos atribuídos a James Watt a partir de 1765 , que tem sido capaz de passar de aplicações esporádicas a utilização generalizada nos transportes e na indústria. Máquina de Watt reduzidos custos, as dimensões e o consumo, e aumentou a disposição de alimentação . Em menos de 20 anos, o primeiro modelo com 4,4 k W passou para 0,4 M W locomotivas.

A máquina a vapor, permitindo que tanto poder maior do que os disponíveis até então (um cavalo de corrida pode produzir 8 kW para movimentos curtos, mas para trabalhar um dia ele não pode produzir mais de 0,7 kW). A máquina a vapor teve um papel fundamental na revolução industrial : facilitou a extração e transporte de carvão, e, portanto, a diminuição no custo, que por sua vez aumentou o potencial da máquina a vapor. A segunda aplicação do motor a vapor foi para mover os foles na fundição , pela primeira vez 1,776 , enquanto que a partir de 1787 , foi também utilizada em fábricas de fiação de algodão.

O impacto da máquina a vapor é evidente: a produção mundial de carvão passou de 6 T g em 1769 para 65 T g em 1819 ; ferro (necessária para o aço) a partir de 40 L g em 1780 para 700 L g em 1830 . Em 1830 , havia 15.000 máquinas a vapor no Reino Unido, incluindo 315 barcos a vapor . Desde 1860 um cientista francês, Augustin Mouchot , começou a estudar várias formas, usando a energia solar , para motores de potência de vapor.

Descrição

motor a vapor em ação
Diagrama mostrando os quatro estágios no cilindro de um motor alternativo
Animação de um motor de expansão tripla. O vapor a alta pressão (vermelho) entra na caldeira, passa através do motor e é libertado para o condensador como vapor de baixa pressão (azul).

Uma parte essencial do sistema de motor a vapor é o vapor do gerador , que fornece a grande energia térmica necessária para a vaporização do vapor de água e, em seguida, enviado para o motor. O motor pode ser: alternativo ou rotativo. O termo motor a vapor é geralmente utilizado apenas para o motor convencional , enquanto que para o motor rotativo é definida como uma turbina a vapor.

Na um alternativo, em geral, a movimentos de roda as válvulas que permitem explorar os dois lados de cada pistão accionado, de modo que em cada rotação do motor existem duas fases activas, enquanto o motor de combustão interna tem geralmente uma expansão a cada 4 tempos. A partir da segunda metade dos anos 1800, quase todos os motores a vapor usados dois, três e mesmo quatro cilindros em série, ou seja, com expansão de casal e expansão triplo (ver animação); As diferentes fases de trabalho com a diminuição da pressão de vapor, a fim de explorar melhor a pressão do escape das fases anteriores, que ainda contêm uma certa potência.

A solução de expansão triplo foi a adotada por todos os navios da segunda metade do século 19 e nos primeiros anos do século 20. Por exemplo, o titânico forro oceano foi equipada com dois motores a vapor triplo-expansão, uma para cada uma das duas hélices laterais de quatro cilindros, uma em alta pressão, uma a uma pressão intermédia e duas a baixa pressão. Em vez disso a hélice central foi ligado a uma turbina de vapor movido por vapor a muito baixa pressão descarregado pelos dois motores alternativos. Precisamente a solução turbina, adotada começando com motores alternativos navios militares a partir de 1905, teria suplantado em navios, antes de ser, por sua vez suplantado por motores de combustão interna e turbinas a gás nas décadas seguintes. de turbinas a vapor permanecem em uso, principalmente em centrais eléctricas como uma força motriz para conduzir alternadores trifásicos.

Em aplicações tradicionais, hoje o motor a vapor foi quase completamente substituído pelo motor de combustão interna , que é mais compacto e poderoso e não requer a fase de pré-aquecimento para colocar a caldeira sob pressão, o que resulta em um atraso antes de ser capaz de usar. o motor em si.

Por outro lado, há o desenvolvimento recente de soluções isoladas, e para pequenos poderes, (5-300 kW ), os motores a vapor alternativos de ciclo fechado, com a adopção de materiais de alta tecnologia (cerâmica, compósitos, superligas), e o utilização de extremamente pequenas massas de fluido que actua (e da contribuição para o ciclo de sistemas de computador), vaporizações extremamente rápidos e condensações são obtidos, e os rendimentos aprecieis, com um mecanismo mecânico e fluidistic extremamente simplificada. Para cobrir o problema de lubrificação que polui o vapor, o que tem sempre atormentado todos os tipos de máquinas a vapor (o óleo emulsiona no vapor), o mesmo fluido de ciclo (água) é adoptado como um lubrificante com sucesso. Dada a solidez do sistema, e excelente flexibilidade e versatilidade de utilização (o motor não está ligada a um combustível específico), é possível usá-lo para veículos automóveis.

Motores a vapor de Papin

Denis Papin estudou medicina em Angers. No começo, ele trabalha com Christian Huygens em Leiden , onde ele tenta desenvolver uma bomba de ar. Em 1679, ele inventou a panela de pressão , a apresentação, no momento, a patente com a inscrição "o aqui presente 'digestor' faz com que muitas quantidades de alimentos de fácil digestão, incluindo os mais difíceis carnes". Mais tarde, ele trabalhou por algum tempo com Robert Boyle , e depois voltou com Huygens em 1680. Depois de uma estadia em Veneza como diretor de práticas a do Ambrosio Sarrotti Academy , e em seguida, na Royal Society de Londres, ele foi nomeado professor de matemática em Marburg . Neste ponto, a partir da experiência da panela de pressão, Papin constrói a sua primeira máquina a vapor: um barco a vapor em 1707. Mas este soberbo invenção implica muita controvérsia por parte dos barqueiros que ameaçam destruir o barco. Papin, em seguida, finalmente retorna para a Inglaterra, onde, apesar de nova pesquisa, seus recursos estão a diminuir.

Observação


Bibliografia

  • Salomon de Caus, La Raison des forças mouvantes, Jean Norton ed., Frankfurt, 1615, e Paris, 1624
  • Carlo Abate, The steam locomotive , Milan, Hoepli , 1924
  • Antonio Capetti, motores a vapor, Turim, V. Giorgio de 1963
  • Carlo Bramanti, A máquina a vapor, Albino, Sandit, 2009, ISBN 978-88-95990-25-5

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