Motores de Combustão Externa: Máquinas e Turbinas a Vapor

Motor a Vapor

Componentes e Funções da Máquina a Vapor

• Fornalha: É um elemento externo à máquina, onde a combustão gera calor.
• Caldeira: É um vaso onde o vapor é gerado. A água, impulsionada por uma bomba, entra na caldeira no estado líquido, em alta pressão e a uma temperatura próxima da ambiente. Na caldeira, a água aquece e vaporiza, seguindo para um superaquecedor, onde a temperatura é elevada, mantendo a pressão da caldeira. Finalmente, o vapor superaquecido entra no cilindro.
• Cilindro do Motor: Consiste na caixa de distribuição (ou distribuidor) e no êmbolo (pistão). Dentro do cilindro, o vapor se expande, fazendo com que o pistão se mova em um movimento de vaivém, que deve ser transmitido aos elementos de transformação de movimento. A função do distribuidor é direcionar o vapor para dentro do cilindro, alcançando o êmbolo em movimento alternativo. Após a expansão, a pressão do vapor diminui e a temperatura cai, resultando na condensação de parte dele. A mistura de líquido e vapor saturado é então direcionada a um condensador, onde o restante do vapor se condensa, liberando calor para um fluido refrigerante. Finalmente, o líquido condensado é bombeado de volta para a caldeira, completando o ciclo.

Turbinas a Vapor

As turbinas a vapor são outro mecanismo alternativo para o uso da expansão de vapor. Nelas, o vapor é distribuído por jatos que atuam diretamente sobre as pás de uma roda, girando a velocidades de aproximadamente 10.000 rpm. Ao passar, o jato de vapor perde pressão e ganha velocidade, enquanto o fluxo é orientado de modo que incida tangencialmente nas palhetas.

Este dispositivo tem a vantagem de não possuir cilindros de processamento e órgãos de circulação complexos, o que resulta em um desempenho superior. O esquema básico de operação da turbina a vapor segue o ciclo Rankine, similar ao motor a vapor. Alterações no ciclo básico são geralmente realizadas a fim de melhorar o desempenho global. Duas das mudanças mais importantes são o reaquecimento do vapor (superaquecimento entre estágios de expansão) e o aquecimento regenerativo da água de alimentação da caldeira, utilizando vapor extraído antes de sua plena expansão. As turbinas são atualmente utilizadas em instalações de produção de energia elétrica, para a propulsão de naves, em altos-fornos e em sistemas de cogeração.