Máquina a vapor
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Uma máquina a vapor é uma motor de calor que realiza trabalho mecânico usando vapor como a sua fluido de trabalho.
Usando água fervente para produzir movimento mecânico remonta cerca de 2.000 anos, mas os primeiros aparelhos não eram práticos. Desde o final de 1700 máquinas a vapor tornaram-se uma importante fonte de energia mecânica. As primeiras aplicações foram remoção de água das minas. Em 1781 James Watt patenteou um motor a vapor que produziu movimento rotativo contínuo. Estes motores de 10HP permitiu uma ampla gama de máquinas de fabricação para ser alimentado. Os motores poderiam ser instalados em qualquer lugar que a água eo carvão ou combustível de madeira poderia ser obtida. Dentro de um século, em 1883, os motores que poderiam fornecer 10.000 hp fosse viável. Os motores a vapor, também poderia ser aplicada a veículos, tais como motores de tração e do locomotivas ferroviárias que são comumente chamados apenas motores a vapor fora da América. A máquina a vapor estacionária era um componente importante da Revolução Industrial , superando as limitações impostas pela falta de locais adequados para moinho de água e permitindo fábricas para localizar onde a força da água não estava disponível.
Hoje de turbinas a vapor gerar cerca de 90% do energia eléctrica nos Estados Unidos, utilizando uma variedade de fontes de calor.
Máquinas a vapor são Os motores de combustão externa, onde o fluido de trabalho é separado a partir dos produtos de combustão. Fontes de calor não-combustão, tais como energia solar, energia nuclear ou energia geotérmica pode ser usado. O ciclo termodinâmico ideal utilizado para analisar esse processo é chamado de Ciclo de Rankine. No ciclo de água é aquecida em vapor numa caldeira até que ele atinja uma pressão elevada. Quando expandido através de pistões ou turbinas, trabalho mecânico é feito. O vapor a baixa pressão, em seguida, condensado e bombeado de volta para a caldeira.
No uso geral, a máquina a vapor termo pode referir-se às plantas de vapor integrados (incluindo caldeiras etc.), tais como ferroviário locomotivas a vapor e motores portáteis, ou pode referir-se ao pistão ou turbina máquinas sozinho, como no motor de feixe e máquina a vapor estacionária. Dispositivos especializados tais como martelos de vapor e vapor Bate-estacas são dependentes de vapor fornecido a partir de um separado caldeira.
História
Desde o início do século 18, a energia a vapor foi aplicado a uma variedade de usos práticos. Na primeira, foi aplicado a bombas alternativas, mas a partir da década de 1780 os motores rotativos (ou seja, aqueles convertendo movimento alternativo em movimento rotativo) começaram a aparecer, dirigindo máquinas de fábrica, tais como mulas fiação e teares. Na virada do século 19, o transporte de vapor sobre o mar ea terra começou a fazer a sua aparição cada vez mais dominante como o século avançava.
Os motores a vapor pode ser dito ter sido a força motriz por trás da Revolução Industrial e viu o uso comercial generalizado máquinas em fábricas, usinas e minas de condução; powering estações de bombeamento; e impulsionando aparelhos de transporte, tais como locomotivas, navios e veículos rodoviários. A sua utilização na agricultura levou a um aumento da superfície disponível para o cultivo.
O peso de caldeiras e condensadores geralmente faz com que o relação potência-peso de uma usina de vapor menor do que para motores de combustão interna. Para aplicações móveis de vapor tem sido largamente ultrapassada pelos motores de combustão interna ou motores elétricos. Entretanto, a maioria energia elétrica é gerada usando vapor fábrica de turbinas, de modo que indiretamente indústria do mundo ainda é dependente de energia a vapor . Preocupações recentes sobre fontes de combustível e poluição ter incitado um interesse renovado em vapor tanto como um componente de processos de cogeração e como motor primário. Isso está se tornando conhecido como o Movimento de vapor avançado.
Os primeiros experimentos
A história da máquina a vapor se estende para trás até o primeiro século dC; o motor a vapor rudimentar registrado pela primeira vez sendo o aeolipile descrito pela Matemático grego Herói de Alexandria. Nos séculos seguintes, os poucos movidos a vapor "motores" eram conhecidos, como o aeolipile, dispositivos essencialmente experimentais utilizados pelos inventores para demonstrar as propriedades de vapor. Um rudimentar dispositivo de turbina a vapor foi descrito por Taqi al-Din em 1551 e por Giovanni Branca em 1629. Jerónimo de Ayanz y Beaumont recebeu patentes em 1606 para cinquenta movidos a vapor invenções, incluindo uma bomba de água para drenar minas inundadas. Denis Papin, um refugiado huguenote, fez alguns trabalhos úteis sobre a vapor digestor em 1679, e usou pela primeira vez um pistão para levantar pesos em 1690.
Motores de bombeamento
O primeiro dispositivo de vapor comercial foi uma bomba de água, desenvolvido em 1698 por Thomas Savery. É utilizado um vácuo para elevar a água a partir de baixo, e depois usou a pressão do vapor para levantá-la maior. Pequenos motores foram eficazes embora modelos maiores foram problemáticas. Eles provaram só para ter uma altura de elevação limitada e eram propensos a explosões de caldeiras. Ele recebeu algum uso em minas, estações de bombeamento e para o fornecimento de rodas de água usados para máquinas de alimentação têxtil. Uma característica atrativa do motor de Savery era seu baixo custo. Ele continuou a ser fabricado até o final do século 18. Um motor ainda era conhecido por estar a funcionar em 1820.
O primeiro verdadeiro motor comercialmente bem sucedido foi o motor atmosférico, inventado pela Thomas Newcomen em torno de 1712. Ele fez uso de tecnologias descobertos por Savery e Papin. Motor de Newcomen foi relativamente ineficientes, e na maioria dos casos foi usada para bombear água. É trabalhado através da criação de um vácuo parcial, por condensação de vapor sob um êmbolo dentro de um cilindro. Ele foi contratado para a drenagem de mina funcionamento em profundidades até então impossíveis, e também para proporcionar uma fonte de água reutilizável para a condução waterwheels em fábricas localizadas longe de uma "cabeça" apropriado. A água que tinha passado através da roda foi bombeada de volta para um reservatório de armazenamento acima da roda.
Em 1720 Jacob Leupold descrito um motor a vapor de alta pressão de dois cilindros. A invenção foi publicado em sua obra principal "theatri machinarum Hydraulicarum". O motor utilizado dois pistões peso de chumbo proporcionando um movimento contínuo de uma bomba de água. Cada pistão foi levantado pela pressão de vapor e devolvido à sua posição original por acção da gravidade. Os dois pistões compartilhado uma válvula rotativa quatro maneira comum conectado diretamente a uma caldeira de vapor.
O próximo grande passo ocorreu quando James Watt desenvolvido (1763-1775) uma versão melhorada do motor de Newcomen, com um condensador separado. Boulton e motores iniciais de Watt metade utilizado tanto como carvão Versão melhorada de John Smeaton de Newcomen de. Newcomen de motores e início de Watt eram "atmosférico". Eles eram movidos por pressão de ar que empurra um pistão na parcial vácuo gerado pela condensação de vapor, em vez de a pressão de vapor em expansão. O motor cilindros tinha que ser grande porque a única força utilizável agindo sobre eles foi devido a pressão atmosférica.
Watt passou a desenvolver ainda mais o seu motor, modificando-o para proporcionar um movimento de rotação adequado para a condução de máquinas de fábrica. Este fábricas permitiram a sua localizadas longe dos rios, e acelerou ainda mais o ritmo da Revolução Industrial.
Por volta de 1800 Richard Trevithick e, separadamente, Oliver Evans, em 1801, introduziu motores que utilizam vapor de alta pressão; Trevithick obtido sua patente motor de alta pressão em 1802. Estes eram muito mais poderoso para um determinado tamanho do que os motores de cilindro anteriores e pode ser feito suficientemente pequeno para aplicações de transporte. Depois disso, os desenvolvimentos tecnológicos e melhorias nas técnicas de fabrico (em parte provocada pela adopção da máquina a vapor como fonte de energia) resultou na concepção de motores mais eficientes que podem ser menor, mais rápida, ou mais potente, dependendo da aplicação pretendida.
O Motor Cornish foi desenvolvido por Trevithick e outros na década de 1810. Era um motor de ciclo composto que é utilizado vapor de alta pressão expansiva, então condensado de vapor de baixa pressão, tornando-se relativamente eficiente. O motor tinha Cornish movimento irregular e de binário que o ciclo, o que limita a principalmente para o bombeamento. Motores Cornish foram usadas em minas e de abastecimento de água até o final do século 19.
Horizontal motor estacionário
O Corliss máquina a vapor, um mecanismo de fluxo de contador de quatro válvulas com a admissão de vapor separado e válvulas de escape e vapor variável automática cortada, foi chamado o avanço mais significativo na máquina a vapor desde que James Watt. Além da utilização de 30% a menos que de vapor fornecida velocidade mais uniforme, tornando-o adequado para fabricação, especialmente na fiação de algodão.
Motores marítimos
Perto do fim dos motores de compostos do século 19 entrou em uso generalizado. Composto esgotado motores a vapor, em que os cilindros sucessivamente maiores para acomodar o maior volume a pressões reduzidas, dando uma melhor eficiência. Estes estágios foram chamados expansões, com motores de expansão duplos e triplos sendo comum, especialmente no transporte marítimo onde a eficiência foi importante para reduzir o peso do carvão transportado.
Os motores a vapor permaneceu a fonte dominante de energia até o início do século 20, quando os avanços no projeto de motores elétricos e motores de combustão interna gradualmente resultou na substituição de motores convencionais (pistão) de vapor em uso comercial, ea ascendência de turbinas a vapor na geração de energia. Hoje mais poder de vapor é fornecido por turbinas.
Locomotivas a vapor
Como o desenvolvimento de motores a vapor progrediu ao longo do século 18, várias tentativas foram feitas para aplicá-las ao transporte rodoviário e ferroviário uso. Em 1784, William Murdoch, um escocês inventor, construiu um protótipo estrada locomotiva a vapor. Um modelo de trabalho no início de uma locomotiva a vapor rail foi projetado e construído pelo pioneiro barco a vapor John Fitch nos Estados Unidos provavelmente durante os anos 1780 ou 1790. Sua locomotiva a vapor rodas usadas pás interior guiados por carris ou faixas.
A primeira grande escala locomotiva a vapor ferroviária de trabalho foi construída por Richard Trevithick no Reino Unido e, em 21 de Fevereiro de 1804, primeira viagem de trem do mundo teve lugar sem nome locomotiva a vapor do Trevithick puxou um trem ao longo do tramway do Ferragens Pen-y-darren, perto Merthyr Tydfil para Abercynon no sul do País de Gales . O desenho inclui uma série de inovações importantes, que incluíam usando vapor a alta pressão, que reduziu o peso do motor e aumentou a sua eficiência. Trevithick visitou a área do Newcastle mais tarde, em 1804, ea ferrovias mineiras no nordeste da Inglaterra tornou-se o principal centro de experimentação e desenvolvimento de locomotivas a vapor. Trevithick continuou seus próprios experimentos usando um trio de locomotivas, concluindo com a Catch Me Who Can, em 1808. Apenas quatro anos depois, a locomotiva de dois cilindros de sucesso Salamanca por Matthew Murray foi usado pelo borda, blasfemava pinhão e cremalheira Middleton Railway. Em 1825 George Stephenson construiu o A locomoção para a Stockton e Darlington Railway. Esta foi a primeira ferrovia a vapor pública no mundo e, em seguida, em 1829, ele construiu The Rocket, que foi inscrito e venceu as experimentações de Rainhill . O Liverpool e Manchester Railway abriu em 1830 fazendo uso exclusivo de energia a vapor, tanto para os comboios de mercadorias e de passageiros.
Locomotivas a vapor continuou a ser fabricado até o final do século XX, em lugares como China e os antiga Alemanha Oriental.
Turbinas a vapor
A principal evolução final do projeto do motor a vapor foi o uso de vapor Turbinas de partida na parte final do século 19. Turbinas são mais eficientes que os pistões, tem menos peças móveis, e fornecer energia rotativo diretamente em vez de através de um conectando sistema de haste ou meios similares. Turbinas a vapor inteiramente substituído motores alternativos em estações de geração de energia elétrica após a virada do século 20, quando a sua eficiência, maior velocidade e rotação suave eram vantagens e sua inflexibilidade em velocidade ideal era importante. Turbinas foram amplamente aplicada para propulsão de navios de grande porte, por razões semelhantes.
Desenvolvimento presente
Embora o motor a vapor alternativo não está mais em uso comercial generalizado, várias empresas estão a explorar ou a exploração do potencial do motor como uma alternativa à combustão interna engines.The empresa Energiprojekt AB na Suécia tem feito progressos no uso de materiais modernos para aproveitar o poder da vapor. A eficiência do motor de vapor de Energiprojekt atinge alguns 27-30% em motores de alta pressão. É um passo único, motor de 5 cilindros (sem composto) com vapor superaquecido e consome aprox. 4 kg (8,8 lb) de vapor por kWh.
Componentes e acessórios para motores a vapor
Existem dois componentes fundamentais de uma planta de vapor: o ou caldeira gerador de vapor, ea "unidade do motor", a que se refere a si mesma como uma "máquina a vapor". Máquinas de vapor fixas em edifícios fixos podem ter a caldeira e motor em edifícios separados a uma certa distância. Para uso portátil ou móvel, como locomotivas de vapor, os dois são montados em conjunto.
O motor alternativo amplamente utilizado normalmente consistia em um cilindro de ferro fundido, pistão, biela e viga ou uma manivela eo volante, e as ligações diversos. O vapor foi fornecido alternadamente e esgotados por uma ou mais válvulas. Controle de velocidade era ou automática, usando um regulador, ou por uma válvula manual. O elenco cilindro continha fornecimento de vapor e portas de escape.
Os motores equipados com um condensador são um tipo separado do que aqueles que de escape para a atmosfera.
Outros componentes são muitas vezes presente; bombas (tais como um injector) para fornecer água à caldeira durante o funcionamento, condensadores para fazer recircular a água e recuperar o calor latente de vaporização, e sobreaquecedores para elevar a temperatura do vapor acima do seu ponto de vapor saturado, e diversos mecanismos para aumentar o projecto para fornalhas. Quando o carvão é usado, um mecanismo de parafuso ou cadeia remexendo e o seu motor de accionamento ou o motor pode ser incluído para mover o combustível a partir de um compartimento de alimentação (depósito) para a fornalha. Veja: Foguista Mecânica
Caldeiras
As caldeiras são vasos de pressão que contêm água a ser fervida, e algum tipo de mecanismo para transferir o calor para a água, de modo a ferver.
Os dois métodos mais comuns de transferência de calor para a água são:
- caldeira de tubos de água - água é contido ou executado através de um ou vários tubos cercado por gases quentes
- caldeira fogo-tubo - a água enche parcialmente um recipiente por baixo ou no interior da qual é uma câmara de combustão ou fornalha de tubos de fumo e por meio do qual os gases quentes fluem
Caldeiras de tubos de fogo foram o principal tipo utilizado para vapor de alta pressão no início, mas eles foram deslocados por caldeiras de tubos de água mais seguros no final do século 19.
Uma vez ligado ao vapor, muitas caldeiras elevar a temperatura do vapor mais, transformando ' vapor molhado 'na' vapor sobreaquecido ". Este uso de superaquecimento evita a condensação de vapor dentro do motor, e permite que significativamente maior eficiência.
Unidades motoras
A unidade do motor leva um fornecimento de vapor a alta pressão e temperatura e dá um fornecimento de vapor de água a baixa pressão e temperatura, usando, tanto a diferença de energia de vapor possível fazer trabalho mecânico. Unidades motoras são tipicamente um tipo de pistão ou turbina a vapor.
A unidade do motor é muitas vezes chamado de "máquina a vapor" em seu próprio direito. Eles também operar em ar comprimido ou outro gás.
Dissipador frio
Tal como acontece com todos os motores de calor, uma quantidade considerável de resíduos de calor a uma temperatura relativamente baixa é produzido e devem ser eliminados.
O mais simples dissipador frio é para ventilar o vapor para o meio ambiente. Isso é muitas vezes usado em locomotivas de vapor, como o vapor libertado é libertado na chaminé de modo a aumentar o sorteio sobre o fogo, o que aumenta grandemente a potência do motor, mas é ineficaz. Condensação locomotivas a vapor foram construídos, mas apenas para aplicações especiais, tais como trabalhar em túneis e onde o abastecimento de água são escassos.
Por vezes, o calor residual é útil por si só, e nesses casos muito alta eficiência global pode ser obtida. Por exemplo, calor e energia combinados sistemas (CHP) usar o vapor de resíduos para aquecimento urbano.
Onde CHP não é usado, turbinas a vapor em centrais eléctricas usar condensadores de superfície como um dissipador frio. Os condensadores são arrefecidos por fluxo de água dos oceanos, rios, lagos, e muitas vezes por torres de resfriamento que se evaporam água para fornecer refrigeração remoção de energia. O condensado de saída de água quente resultante do condensador é então colocado de volta na caldeira através de uma bomba. Uma torre de arrefecimento tipo seco é semelhante a um radiador do automóvel e é utilizado em locais onde a água é dispendiosa. Evaporativa (molhado) torres de resfriamento usar o calor rejeitado para evaporar a água; esta água é mantido separado do condensado, o qual circula num sistema fechado e retorna para a caldeira. Tais torres têm, frequentemente, plumas visíveis devido à condensação de água evaporada em gotículas transportadas pelo ar quente. Torres de resfriamento evaporativo precisam de menos fluxo de água do que "uma vez-through" arrefecimento por rio ou lago de água; uma usina a carvão de 700 megawatts poderá utilizar cerca de 3600 metros cúbicos de make-up de água a cada hora para resfriamento evaporativo, mas precisaria de cerca de vinte vezes mais se arrefecido por água do rio.
Bomba de água
O ciclo Rankine e motores mais práticos de vapor tem uma bomba de água para reciclar ou completar a água da caldeira, para que eles possam ser executados de forma contínua. Caldeiras de serviços públicos e industriais geralmente usam multi-estágio bombas centrífugas; no entanto, são usados outros tipos. Outro meio de fornecimento de baixa pressão de alimentação de caldeira de água é um injector, que utiliza um jacto de vapor geralmente fornecido a partir da caldeira. Injetores tornou-se popular na década de 1850, mas já não são amplamente utilizados, exceto em aplicações tais como locomotivas a vapor.
Monitorização e controlo
Por razões de segurança, quase todos os motores a vapor está equipada com mecanismos de controlo da caldeira, tal como um e um medidor de pressão visor para monitorar o nível da água.
Muitos motores, fixas e móveis, também estão equipados com um governador para regular a velocidade do motor sem a necessidade de interferência humana (semelhante ao controle de cruzeiro em alguns carros).
O instrumento mais útil para analisar o desempenho de motores a vapor é o indicador motor a vapor. As primeiras versões estavam em uso por 1851, mas o indicador de maior sucesso foi desenvolvido para o inventor do motor de alta velocidade e fabricante Charles Porter por Charles Richard e exibido na Exposição de Londres em 1862. O indicador de máquina a vapor traça no papel a pressão no cilindro durante todo o ciclo, que pode ser usado para detectar vários problemas e calcular a potência desenvolvida. Foi rotineiramente usado por engenheiros, mecânicos e inspetores de seguros. O indicador de motor pode também ser utilizado em motores de combustão interna. Ver a imagem do diagrama indicador abaixo.
Configuração do motor
Motor simples
Em um motor simples a acusação de vapor funciona apenas uma vez em um cilindro. Em seguida, é esgotado directamente para a atmosfera ou para um condensador.
Motores de compostos
Como o vapor expande em um motor de alta pressão cai porque nenhum calor é adicionado ao sistema a temperatura; isto é conhecido como expansão adiabática e resulta em vapor que entra no cilindro a alta temperatura e deixando a baixa temperatura. Isto faz com que um ciclo de aquecimento e arrefecimento do cilindro com cada curso, que é uma fonte de ineficiência. Um método para diminuir a magnitude deste aquecimento e arrefecimento foi inventado em 1804 pelo engenheiro britânico Arthur Woolf, que patenteou o seu motor de alta pressão composto Woolf em 1805. No motor de composto, vapor a alta pressão a partir da caldeira aumenta em um cilindro de alta pressão (HP) e, em seguida, entra em uma ou mais baixa pressão (LP) cilindros subsequentes. A completa expansão do vapor agora ocorre através de múltiplos cilindros e como menos expansão agora ocorre em cada um dos cilindros menos calor é perdido por a vapor em cada um. Isto reduz a magnitude de aquecimento e arrefecimento do cilindro, aumentando a eficiência do motor. Ao encenar a expansão em vários cilindros, a variabilidade de torque pode ser reduzido. Para derivar trabalho igual de baixa pressão de vapor exige um volume do cilindro maior como este vapor ocupa um volume maior. Por conseguinte, o furo, e muitas vezes o acidente vascular cerebral, são aumentados em cilindros de baixa pressão, resultando em cilindros maiores.
Expansão Duplo (geralmente conhecida como compostos) motores expandiu a vapor em duas etapas. Os pares pode ser duplicada ou o trabalho do cilindro grande de baixa pressão pode ser dividida com um cilindro exaustivo alta pressão em um ou o outro, dando um layout de 3 cilindros onde cilindro e pistão diâmetro são aproximadamente do mesmo fazendo as massas de pistão mais fácil equilíbrio.
Compostos de dois cilindros podem ser dispostos como:
- Compostos Cruz - Os cilindros estão lado a lado.
- Tandem compostos - Os cilindros são de ponta a ponta, a condução de um comum biela
- Compostos ângulo - Os cilindros são dispostos em um vee (geralmente em um ângulo de 90 °) e dirigir uma manivela comum.
Com compostos de dois cilindros utilizados no trabalho de comboios, os pistões estão ligados às manivelas como com um de dois cilindros simples a 90 ° fora de fase um com o outro (dividido). Quando o grupo de expansão dupla é duplicado, a produção de um composto de 4-cilindros, os êmbolos individuais dentro do grupo são geralmente em relação a 180 °, os grupos sendo fixada em 90 ° em relação uns aos outros. Num caso (o primeiro tipo de Vauclain composto), os êmbolos trabalhou na mesma fase de uma cruzeta de condução comum e manivela, mais uma vez fixada em 90 ° como para um motor de dois cilindros. Com o arranjo composto de 3 cilindros, as manivelas ou LP foram fixada em 90 ° com uma HP em 135 ° para o outro dois, ou em alguns casos, todos os três manivelas foram ajustadas a 120 °.
A adoção de composição era comum para unidades industriais, para os motores de estrada e quase universal para motores marítimos a partir de 1880; não foi universalmente popular em locomotivas ferroviárias onde foi muitas vezes percebidas como complicado. Isto é em parte devido ao ambiente de operação de comboios dura e espaço limitado conferida pela gabarito (particularmente na Grã-Bretanha, onde composição nunca foi comum e não empregue depois de 1930). No entanto, embora não na maioria, era popular em muitos outros países.
Vários mecanismos de expansão
Vapor de alta pressão (vermelho) entra a partir da caldeira e passa através do motor, esgotando como de baixa pressão de vapor (azul), geralmente a um condensador.
É uma extensão lógica do mecanismo de composto (descrito acima) para dividir a expansão para ainda mais fases para aumentar a eficiência. O resultado é o motor de expansão múltipla. Tais motores usam três ou quatro estágios de expansão e são conhecidos como motores de expansão triplos e quádruplos, respectivamente. Estes motores usam uma série de cilindros de diâmetro progressivamente crescente. Estes cilindros são projetados para dividir o trabalho em partes iguais para cada fase de expansão. Tal como acontece com o motor de expansão de dois, se o espaço está a prémio, em seguida, dois cilindros mais pequenos podem ser utilizados para o estágio de baixa pressão. Vários mecanismos de expansão tipicamente teve os cilindros dispostos em linha, mas foram usadas várias outras formações. No final do século 19, o equilíbrio entre "sistema" Yarrow-Schlick-Tweedy foi usado em alguns motores de expansão triplos marinhos. Motores YST dividida nas fases de expansão de baixa pressão entre dois cilindros, um em cada extremidade do motor. Isto permitiu que a cambota para ser mais equilibrado, resultando em um, rápido-respondendo suave do motor, que correu com menos vibração. Isso fez com que o motor de 4 cilindros de expansão tripla popular com grandes navios de passageiros (tais como o Classe Olímpico), mas este foi finalmente substituída pela turbina praticamente livre de vibração (ver abaixo).
A imagem à direita mostra uma animação de um motor de expansão tripla. O vapor percorre o motor da esquerda para a direita. O corpo da válvula para cada um dos cilindros é para a esquerda do cilindro correspondente.
Motores a vapor terrestres poderia esgotar muito do seu vapor, como água de alimentação foi geralmente prontamente disponíveis. Antes e durante a I Guerra Mundial , o motor de expansão dominado aplicações marítimas onde a velocidade alta embarcação não era essencial. No entanto, foi substituída pela invenção britânica turbina a vapor, onde foi necessária velocidade, por exemplo em navios de guerra, tais como o couraçados dreadnought, e transatlânticos. HMS Dreadnought de 1905 foi o primeiro grande navio de guerra para substituir a tecnologia comprovada do motor alternativo com a turbina a vapor, em seguida,-romance.
Tipos de unidades motoras
Pistão alternativo
Na maior parte dos motores de movimento alternado do pistão, o vapor inverte a sua direcção de fluxo em cada acidente vascular cerebral (contracorrente), entrando e desgastante do cilindro pela mesma porta. O ciclo completo do motor ocupa uma rotação da manivela e dois cursos de pistão; o ciclo também inclui quatro eventos - admissão, expansão, escapamento, compressão. Estes eventos são controlados por válvulas frequentemente trabalham dentro de uma câmara de vapor adjacente ao cilindro; as válvulas de distribuição do vapor, abrindo e fechando as portas de vapor comunica com a extremidade do cilindro (s) e são accionados por engrenagem de válvula, das quais existem muitos tipos. Os mais simples engrenagens de válvulas dar acontecimentos de comprimento fixo durante o ciclo do motor e, muitas vezes fazer o motor girar somente em uma direção. A maioria tem no entanto uma inversão mecanismo que, adicionalmente, pode fornecer os meios para salvar vapor, como velocidade e dinâmica são ganhos por gradualmente "encurtar o corte ", ou melhor, encurtando o evento admissão, o que por sua vez aumenta proporcionalmente o período de expansão No entanto, como uma única e mesma válvula controla geralmente ambos os fluxos de vapor, a uma curta interrupção na admissão prejudiquem os períodos de escape e de compressão que deve ser idealmente sempre. manteve relativamente constante; se o evento de escape é muito breve, a totalidade do vapor de escape não podem evacuar o cilindro, sufocando-a e dando compressão excessiva ("kick back").
Na década de 1840 e 50, houve tentativas para superar este problema por meio de várias engrenagens de válvulas com patente, um corte variável separada válvula de expansão montada na parte de trás da válvula de corrediça principal; este último normalmente tinha fixado ou corte limitado. A configuração combinados deu uma aproximação justo dos eventos ideais, à custa do aumento da fricção e desgaste, e o mecanismo de tendiam a ser complicado. A solução de compromisso habitual tem sido a de proporcionar colo por alongamento superfícies de fricção da válvula de tal maneira a sobrepor-se a porta no lado de admissão, com o efeito de que lado do escape permanece aberta por um período mais longo depois de corte sobre a admissão Ocorreu lado. Este expediente já foi geralmente considerada satisfatória para a maioria dos propósitos e torna possível o uso do mais simples Stephenson, Alegria e Walschaerts movimentos. Corliss, e mais tarde, engrenagens válvula de assento tinha válvulas de admissão e de escape separados impulsionado por mecanismos de desarme ou cames perfiladas de forma a dar eventos ideais; a maioria dessas engrenagens nunca conseguiu fora do mercado estacionário devido a várias outras questões, incluindo fugas e mecanismos mais delicados.
- Compressão
Antes da fase de escape é bastante completa, o lado de saída da válvula fecha, fechando uma parte do vapor de escape no interior do cilindro. Isto determina a fase de compressão em que uma almofada de vapor é formada contra a qual o êmbolo funciona enquanto que a sua velocidade está a diminuir rapidamente; que, além disso, evita o choque de pressão e de temperatura, que de outra forma seria causado pela admissão súbita do vapor de alta pressão no início do ciclo seguinte.
- Chumbo
Os efeitos acima são ainda mais reforçada, fornecendo liderança: como foi descoberto mais tarde com o motor de combustão interna, verificou-se vantajoso desde o final dos anos 1830 para avançar a fase de admissão, dando a vantagem da válvula de modo que a admissão ocorre um pouco antes do fim do curso de escape, a fim de preencher o volume de folga, compreendendo as portas e as extremidades do cilindro (não faz parte do volume varrido pelo êmbolo) antes de o vapor começa a exercer um esforço sobre o pistão.
Uniflow (ou unaflow) motor
As válvulas de assento são controlados por o eixo de comando rotativo na parte superior. Vapor de alta pressão entra, vermelhas, e escapamentos, amarelo.
Motores uniflow tentar sanar as dificuldades decorrentes do ciclo habitual contracorrente onde, durante cada curso, a porta e as paredes do cilindro será arrefecido pelo vapor de escape que passa, enquanto a mais quente de vapor de admissão de entrada vai perder alguma da sua energia na restauração da temperatura de trabalho . O objectivo do fluxo unido é remediar este defeito e melhorar a eficiência, proporcionando uma porta adicional descoberto pelo pistão no final de cada curso tornando o fluxo de vapor apenas numa direcção. Por este meio, o motor uniflow simples expansão dá eficiência equivalente à de sistemas compostos clássicos com a vantagem adicional de desempenho de carga parcial superior, e eficiência comparável à turbinas para motores menores abaixo de mil cavalos de potência. No entanto, os motores de uniflow gradiente expansão térmica produzir ao longo da parede do cilindro dá dificuldades práticas.
Motores de turbina
A turbina a vapor consiste em um ou mais rotores (discos rotativos), montada num veio de accionamento, alternando com uma série de estatores (discos estáticos) fixados à carcaça da turbina. Os rotores têm um arranjo hélice-como de lâminas na borda exterior. Vapor age sobre essas lâminas, produzindo movimentos giratórios. O estator é constituído por um semelhante, mas fixo, uma série de lâminas que servem para reorientar o fluxo de vapor para a fase seguinte do rotor. Uma turbina de vapor frequentemente esgota numa condensador de superfície que fornece um vácuo. As fases de uma turbina a vapor são normalmente dispostos para extrair o máximo de trabalho a partir de um potencial de velocidade e pressão do vapor específicos, dando origem a uma série de fases de pressão alta e baixa de tamanho variável. Turbinas só são eficazes se eles giram em velocidade muito alta, portanto, eles são normalmente conectados a redução se preparando para conduzir um outro mecanismo, como hélice de um navio, a uma velocidade menor. Esta caixa de câmbio pode ser mecânico, mas hoje é mais comum o uso de um alternador / gerador para produzir eletricidade que depois é usada para acionar um motor elétrico. Um rotor de turbina também só é capaz de fornecer energia ao girar em uma direção. Portanto, uma fase ou inversão da caixa de velocidades é geralmente necessária quando é necessária potência na direcção oposta.
Turbinas a vapor fornecer força de rotação direta e, portanto, não necessitam de um mecanismo de ligação para converter movimento alternativo em movimento rotativo. Assim, eles produzem forças rotacionais mais suaves sobre o eixo de saída. Isso contribui para uma menor necessidade de manutenção e menor desgaste na máquina que poder do que um motor alternativo comparável.
O principal uso para turbinas a vapor está em produção de energia eléctrica (cerca de 90% de produção de energia eléctrica do mundo é pelo uso de turbinas a vapor) e, em menor extensão, como dispositivos de accionamento principais marinhos. No primeiro caso, a alta velocidade de rotação é uma vantagem, e em ambos os casos a maior parte relativa não é uma desvantagem; neste último (pioneira no Turbinia ), o peso leve, de elevada eficiência e elevada potência são altamente desejáveis.
Praticamente todas nucleares plantas gerar eletricidade através do aquecimento de água para fornecer vapor que aciona uma turbina conectada a um gerador eléctrico. navios e submarinos ou usam uma turbina a vapor diretamente para a propulsão principal de propulsão nuclear, com geradores de fornecimento de energia auxiliar, ou então empregar propulsão turbo-elétrico, onde o vapor aciona um conjunto turbina-gerador com propulsão é fornecida por motores elétricos. Um número limitado de locomotivas de turbinas a vapor foram fabricados. Algumas locomotivas de acionamento direto sem condensação se encontrou com algum sucesso para as operações de transporte de mercadorias de longo curso em Suécia e para o trabalho expresso de passageiros na Grã-Bretanha, mas não se repetiram. Noutros países, nomeadamente nos EUA, projetos mais avançados, com transmissão elétrica foram construídos experimentalmente, mas não reproduzida. Verificou-se que as turbinas a vapor não eram ideais para o ambiente de estrada de ferro e estas locomotivas não conseguiu derrubar a unidade clássica alternativo vapor da mesma forma que o diesel moderno e tração elétrica tem feito.
Motores a vapor do cilindro de oscilação
Um motor do cilindro de vapor oscilante é uma variante do motor a vapor de expansão simples que não exige válvulas para direccionar o vapor para dentro e para fora do cilindro. Em vez de válvulas inteiras, as rochas de cilindro, ou oscila, de tal forma que um ou mais orifícios no cilindro de formação de buracos em uma fixo face da abertura ou no pivô de fixação ( munhão). Estes mecanismos são usados principalmente em brinquedos e modelos, por causa da sua simplicidade, mas também têm sido utilizados em motores de tamanho completo e funcional, principalmente em navios onde a sua compacidade é valorizado.
Motores a vapor Rotary
É possível a utilização de um mecanismo baseado em um motor rotativo pistonless tais como o motor Wankel em lugar dos cilindros e a engrenagem de válvula de um motor alternativo de vapor convencional. Muitos motores de tais foram concebidos, desde o tempo de James Watt até os dias atuais, mas relativamente poucos foram realmente construídos e menos ainda entrou em produção em quantidade; ver link na parte inferior do artigo para obter mais detalhes. O principal problema é a dificuldade de os rotores de selagem a torná-los à prova de vapor na cara de desgaste e de expansão térmica; o vazamento resultante fez muito ineficiente. Falta de trabalho expansivo, ou qualquer meio de controlo do corte é também um problema sério com muitos de tais modelos. Na década de 1840, ficou claro que o conceito teve problemas inerentes e motores rotativos foram tratados com algum escárnio na imprensa técnica. No entanto, a chegada da eletricidade em cena, e as vantagens óbvias de condução de um dínamo diretamente de um motor de alta velocidade, levou a algo de um renascimento do interesse na década de 1880 e 1890, e alguns projetos tiveram algum sucesso limitado.
Dos poucos projetos que foram fabricados em quantidade, os da Hult Irmãos Rotary empresa do motor de vapor de Estocolmo, na Suécia, eo motor esférico de Beauchamp Torre são notáveis. Motores da torre foram utilizados pela Great Eastern Railway para conduzir dínamos iluminação em suas locomotivas, e pela Admiralty para dínamos condução a bordo dos navios da Royal Navy . Eles foram eventualmente substituído nestas aplicações de nicho por turbinas a vapor.
Tipo de foguete
O aeolipile representa o uso de vapor por princípio o foguete-reação, embora não para a propulsão direta.
Em tempos mais modernos, tem havido um uso limitado de vapor para foguetes - particularmente para os carros de foguetes. A técnica é simples em termos de conceito, simplesmente encher um recipiente de pressão com água quente a alta pressão, uma válvula de abrir e que conduz a um bocal adequado. A queda na pressão imediatamente ferve alguma da água e o vapor sai através de um bocal, que dá uma força de propulsão significativa.
Segurança
Os motores a vapor possuem caldeiras e outros componentes que são vasos de pressão que contêm uma grande quantidade de energia potencial. Escapes de vapor e explosões de caldeiras (tipicamente BLEVEs) e pode ter causado grande perda de vidas no passado. Embora variações nos padrões podem existir em diferentes países, legal rigoroso, testes, treinamento, cuidados com fabricação, operação e certificação é aplicada para garantir a segurança. Veja: Vaso de pressão
Modos de falha podem incluir:
- sobre-pressurização da caldeira
- água suficiente na caldeira causando superaquecimento e falha navio
- a acumulação de sedimentos e escala o que causou os pontos quentes locais, especialmente em barcos que utilizam água de alimentação sujo
- falha vaso de pressão da caldeira devido à construção ou manutenção inadequada.
- fuga de vapor de tubagem / caldeira provocando queimaduras
Os motores a vapor frequentemente possuem dois mecanismos independentes para assegurar que a pressão no interior da caldeira não ir muito alto; um pode ser ajustado pelo utilizador, a segunda é tipicamente concebido como um último prova de falhas. Tal válvulas de segurança utilizados tradicionalmente uma alavanca simples para conter uma válvula macho no topo de uma caldeira. Uma extremidade da alavanca carregava um peso ou mola que conteve a válvula contra a pressão do vapor. Válvulas de início pode ser modificada maquinistas, levando a muitos acidentes quando um motorista preso a válvula para baixo para permitir uma maior pressão de vapor e mais potência do motor. O tipo mais recente de válvula de segurança usa uma válvula de mola não-ajustável. Este tipo não é normalmente ajustável e é consideravelmente mais seguro.
Chumbo parafusos fusíveis podem estar presentes na coroa da fornalha. Se o nível de água cai, tal que a temperatura da coroa fornalha aumenta significativamente, o chumbo derrete e as fugas de vapor, alertando os operadores, que podem, em seguida, soltar manualmente o fogo. Exceto no menor das caldeiras a vapor de escape tem pouco efeito sobre amortecendo o fogo. Os tampões também são muito pequenos em área para baixar a pressão de vapor significativamente, despressurização da caldeira. Se eles fossem qualquer maior, o volume de vapor escapando-se poria em perigo a tripulação.
Ciclo de vapor
O ciclo Rankine é o esteio fundamental da termodinâmica o motor a vapor. O ciclo é um modelo matemático que ilustra o fluxo do fluido de trabalho (vapor) num motor com a adição de calor a ser convertido para o trabalho e, em seguida, o trabalho a ser dissipada na forma de calor. O calor é fornecido externamente a um circuito fechado. Este, por motores a vapor contém água e vapor. O ciclo é usado para explicar máquinas que geram cerca de 90% de toda a energia elétrica usada em todo o mundo, incluindo praticamente todos solar, biomassa, carvão e nucleares usinas. É nomeado após William John Macquorn Rankine, um escocês polímata.
O ciclo de Rankine é por vezes referido como uma prática de ciclo de Carnot, porque, quando uma turbina eficiente é usado, o diagrama TS começa a assemelhar-se o ciclo de Carnot. A principal diferença é que a adição de calor (na caldeira) e rejeição (no condensador), são isobáricas (pressão constante) processos no ciclo de Rankine e isotérmicas (constante temperatura processos) no ciclo de Carnot teórico. Neste ciclo de uma bomba é usada para pressurizar o fluido de trabalho, que é recebida a partir do condensador como um líquido não como um gás. De bombeamento do fluido de trabalho na forma líquida durante o ciclo requer uma pequena fracção da energia para transportá-lo em comparação com a energia necessária para comprimir o fluido de trabalho sob a forma gasosa em um compressor (como no ciclo de Carnot). O ciclo de um motor a vapor alternativo difere daquela das turbinas devido à condensação e re-evaporação que ocorrem no interior do cilindro ou nas passagens de entrada de vapor.
O fluido de trabalho em um ciclo de Rankine segue um ciclo fechado e é reutilizado constantemente. Normalmente a água é o fluido de escolha, devido às suas propriedades favoráveis, como a química não-tóxico e não reactiva, abundância, baixo custo, e suas propriedades termodinâmicas . O mercúrio é o fluido de trabalho na turbina de vapor de mercúrio. Hidrocarbonetos de baixo ponto de ebulição pode ser utilizada num ciclo binário.
A máquina a vapor contribuiu muito para o desenvolvimento da teoria termodinâmica; no entanto, as únicas aplicações da teoria científica que influenciaram a máquina a vapor foram os conceitos originais de aproveitar o poder do vapor e da pressão atmosférica e conhecimento das propriedades de calor e vapor. As medições experimentais realizadas por Watt num modelo de motor a vapor levou ao desenvolvimento do condensador separado. Watt descoberto independentemente de calor latente, o que foi confirmado por Joseph Black, que também aconselhou Watt em procedimentos experimentais. Watt também estava ciente da mudança do ponto de ebulição da água à pressão. Caso contrário, as melhorias do próprio motor foram mais de natureza mecânica. Os conceitos termodinâmicas do ciclo de Rankine fez dar engenheiros a compreensão necessária para calcular a eficiência que ajudou o desenvolvimento de alta pressão e caldeiras modernas de temperatura e da turbina a vapor.
Eficiência
- Veja também: A eficiência do motor motor de vapor #
A eficiência de um motor pode ser calculada dividindo a saída de energia do trabalho mecânico que produz o motor pela entrada de energia para o motor pelo combustível em combustão.
A medida histórica de eficiência energética de uma máquina a vapor era seu "dever". O conceito de dever foi introduzido pela primeira vez por Watt, a fim de ilustrar como muito mais eficiente seus motores eram sobre os projetos anteriores Newcomen. O dever é o número de libras-pé de trabalho entregues pela queima de um bushel (£ 94) de carvão. Os melhores exemplos de projetos Newcomen tinha o dever de cerca de 7 milhões, mas a maioria eram mais perto de 5 milhões. Projetos de baixa pressão originais de Watt foram capazes de entregar dever tão alto quanto 25 milhões, mas em média, cerca de 17. Esta foi uma melhoria de três vezes sobre o design média Newcomen. Watt primeiros motores equipados com vapor de alta pressão melhorado esta a 65 milhões.
Nenhuma motor de calor pode ser mais eficiente do que o ciclo de Carnot, no qual o calor é transferido de um reservatório de alta temperatura a uma a uma temperatura baixa, e a eficiência depende da diferença de temperatura. Para uma maior eficiência, os motores a vapor deve ser operado à temperatura mais alta possível de vapor ( vapor sobreaquecido), e libertam o calor à temperatura mais baixa possível.
A eficiência de um ciclo de Rankine é geralmente limitada pelo fluido de trabalho. Sem a pressão atingir níveis super-críticos para o fluido de trabalho, variar a temperatura do ciclo pode operar ao longo é muito pequena; em turbinas a vapor, as temperaturas de entrada da turbina são tipicamente 565 ° C (o limite de fluência de aço inoxidável) e temperaturas de condensação são de cerca de 30 ° C. Isto dá uma teórica eficiência de Carnot de cerca de 63% em comparação com uma eficiência real de 42% para uma central moderna a carvão. Esta temperatura de entrada da turbina de baixa (em comparação com uma turbina a gás) é por isso o ciclo de Rankine é frequentemente utilizado como um ciclo de assentamento em estações de energia de turbina de gás de ciclo combinado.
Uma das principais vantagens do ciclo de Rankine prende sobre os outros é que, durante a fase de compressão relativamente pouco trabalho é necessário para accionar a bomba, sendo o fluido de trabalho na sua fase líquida, a esta altura. Por condensação do fluido, o trabalho requerido pela bomba consome apenas 1% a 3% da potência da turbina e contribui para uma muito maior eficiência para um ciclo real. O benefício disso é perdido um pouco devido às baixas temperaturas calor disso. As turbinas a gás, por exemplo, têm temperaturas de entrada da turbina que se aproximam 1500 ° C. No entanto, a eficiência de reais grandes ciclos de vapor e grandes turbinas a gás modernas são bastante bem adaptado.
Na prática, um motor a vapor de esgotar a vapor para a atmosfera irá ter tipicamente uma eficiência (incluindo a caldeira) na gama de 1-10%, mas com a adição de um condensador e de expansão múltipla, pode ser muito melhorada para 25% ou melhor.
Uma grande central eléctrica moderna (produção de várias centenas de megawatts de potência elétrica) comreaquecimento de vapor,economizador etc. irá alcançar a eficiência em meados do intervalo de 40%, com as unidades mais eficientes que se aproximam de 50% de eficiência térmica.
É também possível para capturar o calor residual usando cogeração em que o calor residual é usado para aquecer um ponto de ebulição mais baixo do fluido de trabalho ou como uma fonte de calor para o aquecimento urbano através de vapor saturado de baixa pressão. Por este meio é possível usar tanto quanto 85-90% da energia de entrada.
