steam engine

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Aeolipile
Motor a vapor
Seleção Escolar da Escolas de 2007 . Assuntos relacionados: Engenharia
O termo motor a vapor também pode se referir a toda uma locomotiva a vapor da ferrovia .
Um motor a vapor é um motor térmico de combustão externa que faz uso da energia térmica que existe no vapor, convertendo-o em
trabalho mecânico .
Os motores a vapor foram usados como motores principais em bombas, locomotivas, navios a vapor, motores de tração, caminhões a
vapor e outros veículos rodoviários, e foram essenciais para a Revolução Industrial . As turbinas a vapor, tecnicamente um tipo de
motor a vapor, ainda são amplamente utilizadas para gerar eletricidade, mas os tipos mais antigos foram quase totalmente substituídos
por motores de combustão interna e motores elétricos.
 
Motor a vapor em ação (animação)
 
Um motor a vapor requer uma caldeira para ferver a água para produzir vapor. A expansão - ou contração - do vapor exerce força
sobre um pistão ou lâmina de turbina, cujo movimento pode ser aproveitado para o trabalho de girar as rodas ou dirigir outras máquinas.
Uma das vantagens do motor a vapor é que qualquer fonte de calor pode ser usada para elevar o vapor na caldeira; mas o mais comum
é um incêndio alimentado por madeira , carvão ou petróleo ou a utilização da energia térmica gerada em um reator nuclear.
Invenção e desenvolvimento
O primeiro dispositivo de vapor registrado, o aeolipile , inventou-se por Herói de Alexandria, um
grego, no 1o século dC, mas usou-se só como um brinquedo. Em 1663, Edward Somerset, segundo
marquês de Worcester, publicou desenhos para, e pode ter instalado, um motor movido a vapor para
bombear água na Vauxhall House.
Por volta de 1680, o físico francês Denis Papin, com a ajuda de Gottfried Leibniz , construiu um
digestor a vapor para amolecer ossos, ou seja, inventou a primeira panela de pressão do mundo .
Projetos posteriores implementaram uma válvula de liberação de vapor para evitar que o dispositivo
explodisse. Ao observar a válvula movendo-se ritmicamente para cima e para baixo, Papin
concebeu a ideia de um motor de pistão e cilindro. Papin escreveu os projetos para tal dispositivo
(como na foto ao lado), no entanto, ele nunca construiu um motor a vapor real. O engenheiro inglês
Thomas Savery usou mais tarde os projetos de Papin para construir o primeiro motor a vapor
operacional do mundo.
Papin também projetou um barco a remo e também recebeu vários dispositivos importantes, como a
válvula de segurança. Sir Samuel Morland também desenvolveu idéias para uma máquina a vapor
durante o mesmo período e construiu uma série de bombas a vapor para o rei Luís XIV da França
na década de 1680.
Os primeiros motores a vapor industriais foram projetados por Thomas Savery (o "motor de fogo",
1698), mas foi Thomas Newcomen e seu "motor atmosférico" de 1712 que demonstraram o primeiro motor industrial operacional e
prático. Juntos, Newcomen e Savery desenvolveram um motor de feixe que funcionou na atmosfera, ouvácuo, princípio. As primeiras
aplicações industriais dos motores a vácuo foram no bombeamento de água das minas profundas. Nas bombas do poço de minas, o
feixe alternativo era conectado a uma haste de operação que descia o eixo até uma câmara de bomba. As oscilações da haste de
operação são transferidas para um pistão de bomba que move a água, através de válvulas de retenção, para a parte superior do eixo.
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/images/126/12660.jpg.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/index.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/index/subject.Design_and_Technology.Engineering.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/m/Mechanical_work.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/i/Industrial_Revolution.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/images/126/12659.gif.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/w/Water.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/m/Motion_%2528physics%2529.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/h/Heat.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/f/Fire.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/w/Wood.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/c/Coal.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/1/1st_century.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/g/Gottfried_Leibniz.htm
O primeiro motor a vapor de
pistão, desenvolvido por Denis
Papin em 1690.
O Motor No. 14 de Richard
Trevithick , construído por
Hazeldine and Co., Bridgnorth,
por volta de 1804. Tratava-se de
um motor estacionário de alta
pressão de ação única que
operava a uma pressão
operacional de 50 psi (350 kPa).
Esquema animado ilustrando a diferença de operação
entre os tipos de vácuo e alta pressão do motor a vapor. O
vapor de alta pressão é vermelho, o vapor de baixa
Os primeiros motores de Newcomen operavam tão lentamente que as válvulas eram abertas e
fechadas manualmente por um atendente. Uma melhora foi a substituição da operação manual das
válvulas por uma operação derivada do movimento do próprio motor, por comprimentos de corda
conhecidos como cabo de potter.(Diz a lenda que isto foi feito pela primeira vez em 1713 por um
menino, Humphrey Potter, encarregado de abrir as válvulas; quando ele ficou entediado e queria
brincar com as outras crianças, ele montou cordas para automatizar o processo.)
Humphrey Gainsborough produziu um modelo de motor a vapor de condensação na década de 1760,
que mostrou a Richard Lovell Edgeworth, membro da Sociedade Lunar. Em 1769, James Watt ,
outro membro da Sociedade Lunar, patenteou as primeiras melhorias significativas no motor a vácuo
do tipo Newcomen, que o tornaram muito mais eficiente em consumo de combustível. O salto de
Watt foi separar a fase de condensação do motor a vácuo em uma câmara separada, mantendo o
pistão e o cilindro na temperatura do vapor. Gainsborough acreditava que Watt usara suas idéias
para a invenção, mas não há provas disso.
Watt, juntamente com seu parceiro de negócios Matthew Boulton, desenvolveu essas patentes no
motor a vapor Watt em Birmingham , Inglaterra. O aumento da eficiência do motor Watt finalmente
levou à aceitação geral e ao uso de energia a vapor na indústria. Além disso, ao contrário do motor
Newcomen, o motor Watt funcionava com suavidade suficiente para ser conectado a um eixo de
transmissão - por meio de engrenagens solares e planetárias - para fornecer potência rotativa. Nos
primeiros motores a vapor, o pistão geralmente é conectado a um feixe balanceado, em vez de
diretamente a uma biela, e esses motores são, portanto, conhecidos como motores de feixes.
A próxima melhora na eficiência veio com o uso do vapor de
alta pressão do americano Oliver Evans e do britânico Richard
Trevithick. A Trevithick construiu com sucesso motores de ação
única de alta pressão, conhecidos como motores Cornish. No
entanto, com o aumento da pressão, veio muito perigo, já que os
motores e as caldeiras estavam prestes a falhar mecanicamente
devido a uma violenta explosão externa, e houve muitos
desastres precoces. O refinamento mais importante para o
motor de alta pressão neste ponto foi a válvula de segurança,
que libera o excesso de pressão. Operação confiável e segura
veio somente com uma grande experiência e codificação de procedimentos de construção, operação
e manutenção.
Nicolas-Joseph Cugnot demonstrou o primeiro veículo a vapor autopropulsado funcional, seu
"fardier" (vagão a vapor), em 1769. Indiscutivelmente, este foi o primeiro automóvel . Embora não
seja geralmente bem-sucedido como um dispositivo de transporte, o trator a vapor autopropelido se
mostrou muito útil como uma fonte de energia móvel para acionar outras máquinas agrícolas, como
debulhadoras de grãos ou enfardadeiras de feno . Em 1802, William Symington construiu o "primeiro
barco a vapor prático" e, em 1807, Robert Fulton usou o motor a vapor Watt para abastecer o primeiro barco a vapor comercialmente
bem-sucedido . Em 21de fevereiro de 1804 , na fábrica de ferro de Penydarren, em Merthyr Tydfil, no sul de GalesFoi demonstrado o
primeiro motor a vapor automotor ferroviário ou locomotiva a vapor, construído por Richard Trevithick.
Motores recíprocos
Motores recíprocos usam a ação do vapor para mover um pistão em uma
câmara selada. A ação recíproca do pistão pode ser traduzida através de
uma ligação mecânica em trabalho rotativo.
Motores a vácuo
Os primeiros motores a vapor, como os motores "atmosféricos" de
Newcomen e "condensadores" da Watt, trabalharam no princípio do vácuo e
são, portanto, conhecidos como motores a vácuo . Tais motores operam
admitindo vapor de baixa pressão em uma câmara de operação e fechando a
válvula de entrada. O vapor é então resfriado, o vapor de água resultante é
condensado em um volume menor do que o vapor, criando um vácuo na
câmara.A pressão atmosférica, operando no lado oposto de um pistão,
empurra o pistão para o fundo da câmara. O pistão é conectado a um feixe
grande e contrapeso, cujo peso devolve o pistão ao topo da câmara; o vapor
de baixa pressão é insuficiente para mover o pistão para cima sozinho. A
ação recíproca do feixe pode ser aproveitada para realizar trabalhos
mecânicos. No motor de Newcomen, a água de resfriamento é pulverizada
diretamente na câmara de trabalho, mas no motor Watt há uma câmara de
condensação separada, conectada à câmara de trabalho por uma válvula. A
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https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/images/126/12662.png.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/images/126/12663.gif.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/j/James_Watt.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/b/Birmingham.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/a/Automobile.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/w/Wales.htm
pressão é amarelo e azul condensado. A parte superior do
cilindro no cilindro de vácuo deve estar aberta para
permitir que a pressão atmosférica atue no pistão. O pistão
de vácuo é retornado à posição inicial (superior) por um
contrapeso e o pistão de alta pressão (começando baixo)
pelo momento angular do volante.
Um diagrama esquemático rotulado de um típico motor
monocilíndrico de vapor de alta pressão de expansão
simples e dupla ação. A decolagem do motor é feita por
meio de um cinto. 
 1 - Pistão 
 2 - Haste do pistão 
 3 - Rolamento da cabeça cruzada 
 4 - Biela 
 5 - Acionamento 
 6 - Movimento da válvula excêntrica 
 7 - Volante do motor 
 8 - Válvula de deslizamento 
 9 - Regulador centrífugo.
Imagem: Steam machine
compound.png
Diagrama esquemático de um
motor a vapor composto cruzado
. 
 1 - Cilindro 
 de alta pressão 
 2 - Manivela de alta pressão 3 -
Volante 
 4 - Manivela de baixa pressão ("
ineficiência do motor de Newcomen residia no repetido e dispendioso
aquecimento e resfriamento da câmara de trabalho. Removendo a fase de
condensação da ação para uma câmara separada, isto foi grandemente
reduzido e a eficiência do motor foi grandemente aumentada.
Os motores a vácuo são severamente limitados em sua eficiência, mas são
relativamente seguros, uma vez que o vapor está em pressão muito baixa e a
falha estrutural do motor será por colapso interno, ao invés de uma explosão
externa. Seu poder é limitado pela pressão do ar ambiente, pelo deslocamento da câmara de trabalho, pelas taxas de combustão e
evaporação e, quando presente, pela capacidade do condensador. A eficiência teórica máxima é limitada pelo ponto de ebulição
relativamente baixo da água a uma pressão quase atmosférica (100 ° C, 212 ° F).
Motores de alta pressão
Em um motor de alta pressão, o vapor é elevado em uma caldeira a alta
pressão e temperatura. É então admitido em uma câmara de trabalho onde se
expande e atua sobre um pistão, embora os " motores Cornish " originais de
Trevithick usem apenas a pressão de vapor para elevar o cilindro. O pistão,
conseqüentemente, retribui, muito parecido com o motor a vácuo. A
importância de elevar o vapor sob pressão (de um ambiente
termodinâmicoponto de vista) é que atinge uma temperatura mais alta. Assim,
qualquer motor que use esse vapor opera com um diferencial de temperatura
mais alto do que é possível com um motor a vácuo de baixa pressão. Depois de
deslocar o motor a vácuo, o motor de alta pressão se tornou a base para o
desenvolvimento da tecnologia de vapor recíproco. O vapor de alta pressão
também tem a vantagem de que os motores podem ser muito mais compactos.
A importância é que poderiam ser desenvolvidos motores que fossem pequenos
o bastante e poderosos o suficiente para se impulsionarem enquanto
realizassem um trabalho útil; a energia a vapor para o transporte tornou-se uma
praticidade.
Pistões de dupla ação
O próximo grande avanço em motores a vapor de alta pressão foi o uso de
pistões de ação dupla . No motor de alta pressão de ação simples acima, o
cilindro é vertical e o pistão retorna ao início - ou ao fundo - do golpe por
gravidade. No pistão de dupla ação, o vapor é admitido alternadamente em
cada lado do pistão, enquanto o outro é exaustivo. Isso requer aberturas de
entrada e escape em cada extremidade do cilindro (veja o mecanismo de
expansão animado abaixo) com o fluxo de vapor sendo controlado por válvulas. Este sistema aumenta a velocidade e a suavidade da
reciprocidade e permite que o cilindro seja montado horizontalmente ou em ângulo. A energia é transmitida do pistão por uma haste
deslizante - vedada ao cilindro para evitar a fuga de vapor - que, por sua vez, aciona uma biela por meio de um deslizamentorolamento
da cruzeta). Isso converte o movimento recíproco em um movimento rotativo. As válvulas de admissão e escape têm um movimento
derivado do movimento rotativo por meio de uma manivela adicional montada excentricamente (ou seja, fora do centro) do eixo de
acionamento. A engrenagem da válvula pode incluir um mecanismo de inversão para permitir a reversão do movimento rotativo.
A maioria dos motores recíprocos agora usa essa tecnologia, exemplos notáveis, incluindo locomotivas a vapor e motores de expansão
tripla marinhos. Quando um par (ou mais) de cilindros de dupla ação, por exemplo, em uma locomotiva a vapor, são conectados a um
eixo propulsor comum, suas fases de manivela são compensadas por um ângulo de 90 graus. Isso é chamado de aquartelamento e
garante que o motor irá operar sempre, não importa em que posição a manivela está. Alguns motores têm utilizado apenas um único
pistão de dupla ação, dirigindo rodas de pás em cada lado por conexão com um braço oscilante em cima. Ao desligar um motor desse
tipo, era importante que o pistão estivesse longe de qualquer faixa extrema de seu curso, de modo que pudesse ser prontamente
reiniciado (já que não há um segundo pistão esquartejado para evitar isso).
Compostos
Todos os motores de alta pressão mencionados acima usam uma expansão simples - o vapor entra
no cilindro, expande-se uma vez e escapa. Como o vapor expande suas quedas de temperatura, isso
é conhecido como expansão adiabática. Isso resulta em vapor entrando no cilindro a alta
temperatura e deixando a baixa temperatura. Isso causa um ciclo de aquecimento e resfriamento do
cilindro a cada curso, o que é uma fonte de ineficiência.
Um método para diminuir a magnitude deste aquecimento e resfriamento foi inventado em 1804
pelo engenheiro britânico Arthur Woolf, que patenteou seu motor composto de alta pressão Woolf
em1805. No motor composto, o vapor de alta pressão da caldeira se expande em um cilindro de alta
pressão e depois entra em um ou mais cilindros de pressão inferior subseqüentes. A expansão
completa do vapor agora ocorre em vários cilindros e, como ocorre agora menos expansão em cada
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/images/126/12664.png.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/t/Thermodynamics.htm
esquartejado ") 
 5 - Cilindro de baixa pressão.
Image: Máquina de vapor
tandem.png
Diagrama esquemáticode um
motor a vapor composto em
tandem . 
 1 - Cilindro de baixa pressão 
 2 - Cilindro de alta pressão 
 3 - Biela 
 4 - Veio de transmissão e volante
do motor.
Uma animação de um mecanismo
simplificado de expansão tripla.
O vapor de alta pressão
(vermelho) entra na caldeira e
passa através do motor, exausto
como vapor de baixa pressão
(azul) para o condensador.
Modelo de um motor de
expansão tripla
cilindro, menos calor é perdido pelo vapor em cada um deles. Isso reduz a magnitude do
aquecimento e resfriamento do cilindro, aumentando a eficiência do motor. Para obter trabalho igual
a partir de vapor de pressão mais baixa, é necessário um volume de cilindro maior, pois esse vapor
ocupa um volume maior. Portanto, o furo e, freqüentemente, o curso, são aumentados em cilindros
de baixa pressão, resultando em cilindros maiores. Onde o espaço é um prêmio, como em uma
locomotiva a vapor, dois cilindros de um volume menor são frequentemente substituídos.
Os primeiros motores compostos tinham 2 cilindros, freqüentemente chamados de composto duplo
, com tipos posteriores de motores compostos usando expansão tripla e até quádrupla (veja abaixo).
A diferença entre a temperatura de entrada e de escape do vapor em cada cilindro em um
composto duplo é aproximadamente a metade da de um motor de expansão simples, com os pistões
projetados de forma que cada um deles produza metade do trabalho do motor.
O arranjo de cilindros em motores compostos duplos é usado como base para classificação:
Composto cruzado - Os cilindros estão lado a lado e acionam a mesma manivela.
Composto em tandem - Os cilindros são de ponta a ponta, acionando uma biela comum
Steeple engine - Um motor composto de tandem vertical.
Composto angular - Os cilindros são dispostos em v e acionam uma manivela comum.
Em compostos cruzados e angulares, os pistões são conectados à manivela 90 ° desfasados um do outro ( esquartejados ) para obter
um movimento suave que não travará, com um novo curso de potência a cada quarto de volta.
O motor composto aumenta a eficiência dos motores a vapor, mas adiciona uma grande complexidade ao sistema. Sua adoção foi quase
universal em motores industriais e marítimos, mas não foi tão marcada em locomotivas ferroviárias. Isso se deve em parte ao ambiente
operacional ferroviário adverso e ao espaço limitado proporcionado pelo medidor de carga (particularmente na Grã-Bretanha, onde a
composição não era comum). A composição de locomotivas geralmente conduziu dois conjuntos diferentes de rodas motrizes, para
melhor distribuir a potência do motor e diminuir os efeitos do golpe de martelo peculiar às locomotivas a vapor. A maioria das
locomotivas a vapor compostas tinha uma válvula simplificadora que alimentava vapor de alta pressão em todos os cilindros para
ajudar a iniciar um trem pesado.
Múltipla expansão
É uma extensão lógica do mecanismo composto acima para dividir a expansão em mais estágios
para aumentar a eficiência. O resultado é o mecanismo de expansão múltipla . Esses motores
usam três ou quatro estágios de expansão e são conhecidos como motores de expansão triplos e
quádruplos.respectivamente. Esses motores usam uma série de cilindros de ação dupla de
diâmetro e / ou curso progressivamente crescentes e, portanto, volume. Esses cilindros são
projetados para dividir o trabalho em três ou quatro porções iguais, conforme apropriado, para cada
estágio de expansão. Tal como acontece com o motor composto duplo, onde o espaço é um prêmio,
dois cilindros menores de um grande volume soma podem ser usados para o estágio de baixa
pressão. Vários mecanismos de expansão normalmente tinham os cilindros dispostos em linha, mas
várias outras formações eram usadas.
As imagens à direita mostram um modelo e uma animação de um mecanismo de expansão tripla. O
vapor percorre o motor da esquerda para a direita. A caixa da válvula para cada um dos cilindros
fica à esquerda do cilindro correspondente.
O desenvolvimento deste tipo de motor foi importante para o
seu uso em navios a vapor, pois ao esgotar a condensação a
água pode ser recuperada para alimentar a caldeira, que é
incapaz de usar a água do mar . Motores a vapor baseados em terra poderiam exaurir muito de
seu vapor, já que a água de alimentação geralmente estava prontamente disponível. Antes e
durante a Segunda Guerra Mundial , o motor de expansão dominava as aplicações marítimas, onde
a alta velocidade da embarcação não era essencial. No entanto, foi substituído pela turbina a vapor,
onde a velocidade era necessária, por exemplo, em navios de guerra e transatlânticos. A HMS
Dreadnought de 1905 foi o primeiro grande navio de guerra a substituir a tecnologia comprovada
do motor recíproco pela então nova turbina a vapor.
Motores Uniflow
Outro tipo de motor a vapor é o tipo uniflow , o nome derivado do fato de que o vapor fluía em uma direção apenas em cada metade do
cilindro. A eficiência térmica foi aumentada no composto e em vários tipos de expansão, separando a expansão em etapas em cilindros
separados. No projeto uniflow, a eficiência térmica é obtida com um gradiente de temperatura ao longo do cilindro. O vapor sempre
entra nas extremidades quentes do cilindro e sai pelas portas no centro do resfriador. Por este meio, o aquecimento e arrefecimento
relativos das paredes do cilindro são reduzidos.
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/images/133/13351.gif.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/images/126/12666.jpg.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/s/Seawater.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/w/World_War_II.htm
Animação esquemática de um motor a vapor
uniflow. As válvulas de assento são controladas
pela árvore de cames giratória no topo. Vapor de
alta pressão entra, vermelho e escape, amarelo.
A entrada de vapor é geralmente controlada por válvulas de assento (que agem de
forma semelhante àquelas usadas em motores de combustão interna) que são
operadas por umeixo de comando. As válvulas de entrada abrem para admitir vapor
quando o volume mínimo de expansão foi atingido no início do curso. Durante um
período do ciclo de manivela, o vapor é admitido e a entrada do gatilho é então
fechada, permitindo a expansão contínua do vapor durante o curso, conduzindo o
pistão. Perto do final do curso, o pistão irá expor um anel de portas de escape
montadas radialmente em torno do centro do cilindro. Essas portas são conectadas
por um coletor e pela tubulação ao condensador, reduzindo a pressão na câmara
para abaixo da da atmosfera, causando uma exaustão rápida. A rotação continuada
da manivela move o pistão. A partir da animação, as características de um motor
uniflow podem ser vistas, com um grande pistão quase a metade do comprimento do
cilindro, válvulas de entrada de cabeçote em cada extremidade,
A beleza do motor uniflow era que potencialmente permitia grande expansão em um
único cilindro sem o vapor de escape relativamente frio que flui através da
extremidade quente do cilindro de trabalho e das portas de vapor de um motor a
vapor "contrafluxo" convencional durante o curso de exaustão. Esta condição permite alta eficiência térmica. As portas de exaustão
estavam abertas apenas por um curto período de tempo, portanto nem todo vapor expandido era capaz de exaurir. Este vapor restante
foi comprimido pelo pistão de retorno e foi termodinamicamente desejável, uma vez que pré-aqueceu a extremidade quente do cilindro
antes da admissão de vapor. No entanto, o risco de compressão excessiva muitas vezes resultou na inclusão de pequenas portas
auxiliares de exaustão nas cabeças dos cilindros. Tal projeto pode ser chamado de um motor semimunolento .
Na prática, o motor uniflow tem várias deficiências operacionais. A grande taxa de expansão requer um grande volume de cilindros.
Para obter o máximo potencial de trabalho, era necessária uma alta taxa de reciprocidade, normalmente 80% mais rápida do que um
mecanismo de ação dupla. Isso fez com que os tempos de abertura das válvulas de entrada fossemmuito curtos, colocando grande
pressão sobre uma parte mecânica delicada. Para suportar as enormes forças mecânicas encontradas, os motores tinham que ser
fortemente construídos e um grande volante era necessário para suavizar as variações de torque à medida que a pressão do vapor subia
e descia rapidamente no cilindro. Além disso, como havia um gradiente térmico através do cilindro, o metal da parede expandiu-se para
diferentes extensões. Isso exigia que a perfuração precisa do cano do cilindro fosse mais larga no centro frio do que nas extremidades
quentes.
Motores desse tipo geralmente têm múltiplos cilindros em um arranjo inline e podem ser de simples ou dupla ação. Uma vantagem
particular deste tipo é que as válvulas podem ser operadas pelo efeito de múltiplos eixos de comando, e mudando a fase relativa de
estas cames, a quantidade de vapor admitido pode ser aumentada para um binário elevado a uma velocidade baixa e pode ser diminuído
em cruzeiro velocidade para economia de operação, e alterando a fase absoluta, o sentido de rotação do motor pode ser alterado. O
design uniflow também mantém um gradiente de temperatura constante através do cilindro, evitando a passagem de vapor quente e frio
pela mesma extremidade do cilindro.
O motor uniflow foi usado pela primeira vez na Grã-Bretanha em 1827 por Jacob Perkins e foi patenteado em 1885 por Leaonard
Jennett Todd. Foi popularizado pelo engenheiro alemão Johann Stumpf em 1909, com o primeiro motor estacionário comercial produzido
um ano antes, em 1908.
O princípio uniflow foi usado principalmente para na geração de energia industrial, mas também foi julgado em algumas locomotivas
ferroviárias na Inglaterra, como o NER Uniflow Locomotiva No 825 de 1913, o NER Uniflow Locomotiva No 2.212, de 1919, e a
locomotiva Midland Railway Paget . Experimentos também foram feitos nos EUA e na Rússia. Em nenhum caso os resultados foram
encorajadores o suficiente para o desenvolvimento futuro.
A evolução comercial final do motor Uniflow ocorreu nos EUA no final dos anos 1930 e 1940 pela Skinner Engine Company com o
desenvolvimento do Compound Unaflow Marine Steam Engine. Este motor operado em uma configuração composta steeple e forneceu
eficiências aproximando dieseis contemporâneos. Muitos graneleiros e balsas dos Grandes Lagos estavam tão equipados, vários dos
quais ainda estão operando.
Em tamanhos pequenos (menos de cerca de 1000 cavalos de potência), os motores a vapor recíprocos são muito mais eficientes do que
as turbinas a vapor. A usina de energia solar Whitecliffs usa um motor uniflow de três cilindros para gerar cerca de 25 kW de potência
elétrica.
Motores de turbina
Uma turbina a vapor consiste de uma série alternada de discos giratórios montados em um eixo de acionamento, rotores e discos
estáticos fixados à carcaça da turbina, estatores . Os rotores têm um arranjo tipo propelente de lâminas na borda externa. O vapor atua
sobre essas lâminas, produzindo movimento rotativo. O estator consiste em uma série de pás semelhante, mas fixa, que serve para
redirecionar o fluxo de vapor para o próximo estágio do rotor. Uma turbina a vapor esgota em umcondensador que fornece um vácuo.
Os estágios de uma turbina a vapor são tipicamente organizados para extrair o máximo trabalho potencial de uma velocidade específica
e pressão de vapor, dando origem a uma série de estágios de alta e baixa pressão de tamanhos variados. As turbinas giram a uma
velocidade muito alta, portanto, geralmente são conectadas à engrenagem redutora para acionar outro mecanismo, como a hélice de um
navio, a uma velocidade menor. Um rotor de turbina também é capaz de fornecer energia ao girar em apenas uma direção. Portanto,
geralmente é necessário um estágio de reversão ou uma caixa de câmbio onde a energia é necessária na direção oposta.
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/images/126/12667.gif.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/g/Germany.htm
O principal uso para as turbinas a vapor é na geração de eletricidade (cerca de 86% da produção elétrica mundial é feita por meio de
turbinas a vapor) e, em menor medida, como motores principais marítimos. No primeiro caso, a alta velocidade de rotação é uma
vantagem e, em ambos os casos, o volume relativo não é uma desvantagem. Praticamente todas as usinas nucleares e alguns
submarinos nucleares geram eletricidade aquecendo a água para fornecer vapor que aciona uma turbina conectada a um gerador
elétrico para propulsão principal. Um número limitado de locomotivas ferroviárias de turbinas a vapor foi fabricado. Enquanto eles
tiveram algum sucesso em operações de frete de longa distância na Suéciae em outros lugares, as turbinas a vapor não eram ideais para
o ambiente ferroviário. Locomotivas de turbina não persistiram no mundo ferroviário e foram substituídas por locomotivas a diesel.
As turbinas a vapor fornecem força de rotação direta e, portanto, não requerem um mecanismo de ligação para converter o movimento
alternado em rotativo. Assim, eles produzem forças de rotação mais suaves no eixo de saída. Isso contribui para uma menor
necessidade de manutenção e menos desgaste nas máquinas que eles alimentam do que um motor alternativo comparável.
Outros motores
Outros tipos de motores a vapor foram produzidos e propostos, mas não foram tão amplamente adotados como motores alternativos ou
de turbina.
Motores a vapor rotativos
É possível usar um mecanismo baseado em um motor rotativo sem pistão, como o motor Wankel no lugar dos cilindros e a engrenagem
da válvula de um motor a vapor recíproco convencional. Muitos desses motores foram projetados desde a época de James Watt até os
dias de hoje, mas relativamente poucos foram realmente construídos e menos ainda foram produzidos em quantidade; veja o link na
parte inferior do artigo para mais detalhes. O maior problema é a dificuldade de vedar os rotores para torná-los resistentes ao vapor em
face do desgaste e da expansão térmica; o vazamento resultante os tornou muito ineficientes. Falta de trabalho expansivo, ou qualquer
meio de controle doO corte também é um problema sério com muitos desses projetos. Na década de 1840, ficou claro que o conceito
tinha problemas inerentes e os motores rotativos eram tratados com certo desprezo na imprensa técnica. No entanto, a chegada da
eletricidade ao local e as vantagens óbvias de dirigir um dínamo diretamente de um motor de alta velocidade levaram a um revival de
interesse nas décadas de 1880 e 1890, e alguns projetos tiveram algum sucesso limitado.
Dos poucos projetos fabricados em quantidade, destacam-se os da Companhia Rotativa de Motores a Vapor Hult Brothers, de
Estocolmo, na Suécia, e o motor esférico da Torre Beauchamp. Os motores da Tower foram usados pela Great Eastern Railway para
conduzir dínamos de iluminação em suas locomotivas e pelo Almirantado para a condução de dínamos a bordo dos navios da Marinha
Real. Eles foram eventualmente substituídos nessas aplicações de nicho por turbinas a vapor.
Tipo de jato
Inventado pelo engenheiro australiano Alan Burns e desenvolvido na Grã-Bretanha por engenheiros da Pursuit Dynamics, este motor a
jato submerso usa vapor de alta pressão para extrair água através de uma admissão na frente e expulsá-lo em alta velocidade pela parte
traseira. Quando o vapor se condensa na água, uma onda de choque é criada e é focalizada pela câmara para expulsar a água pelas
costas. Para melhorar a eficiência do motor, o motor puxa o ar através de uma abertura à frente do jato de vapor, o que cria bolhas de
ar e altera a maneira como o vapor se mistura com a água.
Ao contrário dos motores a vapor convencionais, não há partes móveis a desgastar-se e a água de exaustão é apenas vários graus mais
quente nos testes. O motor também pode servir como bomba e misturador. Esse tipo de sistema é chamado de "Tecnologia PDX" pela
Pursuit Dynamics.
Tipo de foguete
O eolipile representa o uso do vapor pelo princípio da reação, embora não para a propulsão direta.
Em tempos mais modernos, tem havidoum uso limitado de vapor para foguetes - particularmente para carros-foguete. A técnica é
simples em conceito, basta encher um recipiente de pressão com água quente a alta pressão e abrir uma válvula que conduza a um
bocal adequado. A queda na pressão ferve imediatamente parte da água e o vapor sai através de um bocal, dando uma força propulsiva
significativa.
Pode-se esperar que a água no vaso de pressão esteja em alta pressão; mas na prática o vaso de pressão tem uma massa considerável,
o que reduz a aceleração do veículo. Portanto, uma pressão muito menor é usada, o que permite um vaso de pressão mais leve, o que,
por sua vez, proporciona a maior velocidade final.
Existem até planos especulativos para uso interplanetário. Embora os foguetes a vapor sejam relativamente ineficientes em seu uso do
propelente, isso pode não importar, já que se acredita que o sistema solar tenha reservas extremamente grandes de água gelada, que
pode ser usada como propelente. Extrair esta água e usá-la em foguetes interplanetários requer várias ordens de grandeza de
equipamentos a menos do que dividi-la em hidrogênio e oxigênio para foguetes convencionais.
Aplicações
Os motores a vapor podem ser classificados por sua aplicação:
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/n/Nuclear_power.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/n/Nuclear_power.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/s/Sweden.htm
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/j/Jet_engine.htm
Motores estacionários
Os motores a vapor estacionários podem ser classificados em dois tipos principais:
Motores sinuosos, motores de laminadores (motores marítimos) e aplicações similares que precisam freqüentemente parar e
reverter.
Motores que fornecem energia, que param raramente e não precisam ser revertidos. Estes incluem os motores utilizados em
centrais térmicas e os que foram utilizados em fábricas, fábricas e para as linhas férreas e bondes antes do uso generalizado de
energia elétrica. Motores de potência muito baixa são usados para alimentar modelos de navios e aplicações especiais, como o
relógio a vapor.
Motores de veículos
Motores a vapor têm sido usados para alimentar uma grande variedade de tipos de veículos:
Steamboat e navio a vapor
Veículos terrestres:
Locomotiva a vapor
Carro a vapor
Caminhão a vapor
Rolo de vapor
Pá de vapor
Motor de tração
Vantagens
A força do motor a vapor para propósitos modernos é a capacidade de converter calor de quase qualquer fonte em trabalho mecânico.
Ao contrário do motor de combustão interna, o motor a vapor não é específico sobre a fonte de calor. Mais notavelmente, sem o uso de
um motor a vapor, a energia nuclear não poderia ser aproveitada para trabalhos úteis, pois um reator nuclear não gera diretamente
trabalho mecânico ou energia elétrica - o próprio reator simplesmente aquece ou ferve água. É a máquina a vapor que converte a
energia térmica em trabalho útil. O vapor também pode ser produzido sem combustão de combustível, através de concentradores
solares. Uma usina de demonstração foi construída usando uma torre central de coleta de calor e um grande número de espelhos de
rastreamento solar (chamados de heliostatos). (veja o projeto de Whitecliffs)
Vantagens semelhantes são encontradas em um tipo diferente de motor de combustão externa, o motor Stirling, que oferece potência
eficiente em um motor compacto.
As locomotivas a vapor são especialmente vantajosas em altitudes elevadas, pois não são afetadas negativamente pela pressão
atmosférica mais baixa. Isso foi descoberto inadvertidamente quando motores a vapor operados em altas altitudes nas montanhas da
América do Sul foram substituídos por motores diesel-elétricos de potência equivalente ao nível do mar. Eles foram rapidamente
substituídos por locomotivas muito mais poderosas capazes de produzir energia suficiente em altas altitudes.
Na Suíça (Brienz Rothhorn) e na Áustria (Schafberg Bahn), as novas locomotivas a vapor de rack têm se mostrado muito bem-
sucedidas. Eles foram projetados com base no design dos anos 30 da Locomotiva e Maquinário Suíço (SLM), mas com todas as
melhorias possíveis atuais, como rolamentos, isolamento térmico, queima de óleo leve, melhoramento da aerodinâmica interna, condução
individual e assim por diante. Isso resultou em um consumo de combustível 60% menor por passageiro e redução massiva de custos de
manutenção e manuseio. A economia agora é semelhante ou melhor que a dos sistemas diesel ou elétricos mais avançados. Além disso,
um trem a vapor com velocidade e capacidade semelhantes é 50% mais leve do que um trem elétrico ou a diesel, especialmente nas
ferrovias de rack, reduzindo significativamente o desgaste na pista. Além disso, um novo motor a vapor para um navio a vapor de remo
no Lago de Genebra, oMontreux foi projetado e construído, sendo o primeiro motor a vapor do mundo com controle remoto eletrônico.
O grupo de vapor da SLM em 2000 criou uma empresa de propriedade total chamada DLM para projetar modernos motores a vapor e
locomotivas a vapor.
Eficiência
Para obter a eficiência de um motor, divida o número de joules de trabalho mecânico que o motor produz pelo número de joules de
entrada de energia para o motor pela queima de combustível. Em geral, o resto da energia é despejado no meio ambiente como calor.
Nenhum motor de calor puro pode ser mais eficiente que o ciclo de Carnot, no qual o calor é movido de um reservatório de alta
temperatura para um a uma temperatura baixa, e a eficiência depende da diferença de temperatura. Portanto, os motores a vapor
devem, idealmente, ser operados na temperatura mais alta possível e liberar o calor residual na temperatura mais baixa possível.
Na prática, um motor a vapor que expele o vapor para a atmosfera terá uma eficiência (incluindo a caldeira) de 1% a 8%, mas com a
adição de um condensador a eficiência pode ser grandemente melhorada. Uma central eléctrica com reaquecimento a vapor, etc.,
atingirá 30% a 42% de eficiência. O ciclo combinado no qual o material de combustão é usado pela primeira vez para acionar uma
turbina a gás pode produzir 50% a 60% de eficiência. Também é possível capturar o calor residual usando a cogeração em que o vapor
residual é usado para aquecimento. Portanto, é possível usar cerca de 90% da energia produzida pela queima de combustível - apenas
10% da energia produzida pela combustão do combustível é desperdiçada na atmosfera.
Uma fonte de ineficiência é que o condensador causa perdas por ser um pouco mais quente do que o mundo externo, embora isso possa
ser mitigado condensando o vapor em um trocador de calor e usando o calor recuperado, por exemplo para pré-aquecer o ar usado no
queimador de um motor de combustão externa.
A operação da parte do motor sozinha não é dependente do vapor; qualquer gás pressurizado pode ser usado. O ar comprimido é usado
às vezes para testar ou demonstrar motores de "vapor" de modelo pequeno.
Festivais e museus
Antique Gas & Steam Engine Museum - Bi-Annual show em Vista, CA, especializada em equipamentos agrícolas, motores e
máquinas de 1850-1950
A Great Dorset Steam Fair - feira anual na Inglaterra - é especializada em mostrar os motores usados em seu contexto original:
transporte pesado, debulha, serração, construção de estradas, etc.
Exposição Anual Steam na América Sociedade Norte-Americana de Engenharia de Modelos (NAMES)
Steam-Up anual na América Nova Inglaterra Wireless e Steam Museum
A, Newcomen, casa motor, dartmouth, devon, inglaterra, reino unido
Era do vapor em Milton, Ontário
Museu Agrícola de Ontário em Milton, Ontário
Associação do motor de vapor do vale do rio de Missouri De volta à reunião da exploração agrícola em Missouri central, EUA.
Este não é um festival apenas a vapor, mas sempre teve uma boa demonstração de funcionamento de motores a vapor.
Hamilton Museum of Steam and Technology, em Hamilton, Ontário. Um antigo pomphouse municipal datado de 1860 com seus
dois motores Woolf Compound Rotative Beam originais, um dosquais ainda opera.
Kempton Park Steam Engines
Kew Bridge Steam Museum
Motores de Feixe Crofton
Bancroft Mill Engine , Barnoldswick. Filme de motor operando aqui
Buckley Old Engine Show Noroeste Michigan Motor & Thresher Club. Exposição anual (39 anos) mostrando motores a vapor e
equipamentos, motores a gás e óleo antigos, equipamentos agrícolas antigos, moinhos, ferraria e fundições. Show inclui
seminários de construção a vapor.
Feira de Vapor Hollycombe
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