GERAÇÃO DE VAPOR - A FUNÇÃO VITAL E ARRISCADA DA CALDEIRA E SEUS DISPOSITIVOS

Desenho esquemático da Máquina de James Watt incluindo gerador de vapor e válvula de segurança - Fonte: Tencologia Pirinius

Tanto o motor alternativo a vapor como a turbina a vapor são máquinas que geram trabalho a partir da expansão controlada do vapor. São de construção relativamente simples e podem funcionar também com ar comprimido, apesar de não serem muito indicados para tal, já que existem ciclos mais eficientes como o Mekarski para motores alternativos. Já o termo "máquina a vapor" se refere não só ao motor, mas, ao conjunto formado pelo motor, fornalha e caldeira. A fornalha é o órgão agregado responsável pela produção de calor a partir da queima de combustível, que pode ser sólido, líquido ou gasoso. Já a caldeira é onde é produzido o vapor a partir da troca de calor dos gases resultantes da queima do combustível na fornalha com a água confinada na caldeira. Todos estão intimamente ligados, mas a fornalha e a caldeira são órgãos bem mais solidários, geralmente são frutos de um projeto único, juntos formam a unidade geradora de vapor. Já o motor em si desfruta de uma maior independência em relação ao projeto, podendo trabalhar com diversos tipos geradores de vapor desde que sejam dimensionadas para produção de vapor em pressão e quantidade compatíveis com as exigências do motor. Frequentemente ouvimos a palavra "caldeira" sendo utilizada para designar o conjunto fornalha/caldeira, ou seja, a unidade de geração de vapor completa, o que deve ser visto como uma simplificação.

MOTOR STIRLING - EVOLUÇÃO DESDE A REVOLUÇÃO

Ilustração do motor a ar quente original de Stirling - fonte Scienzia Systems

Nascido algum tempo depois e em pleno domínio da máquina a vapor como força motriz da Revolução Industrial, o motor Stirling é um motor de combustão externa que apesar de nunca ter suplantado a máquina a vapor, nem os motores de combustão interna, continuou despertando grande interesse até os dias atuais, devido a inúmeras vantagens competitivas para algumas aplicações. Sua patente foi registrada pelo reverendo escocês Robert Stirling em 1816. Segundo algumas publicações, a motivação de Stirling para o desenvolvimento do motor que leva seu nome teria sido a preocupação com os  constantes acidentes provocados por rompimentos de tubos e explosões de caldeiras a vapor, que faziam muitas vítimas. Devido as limitações da metalurgia empregada na época, tubos, soldas e chapas frequentemente se rompiam quando submetidos a pressão de trabalho do vapor. O sofrimento das vítimas e o grande números de mortes decorrentes teria sensibilizado o reverendo a desenvolver uma força motriz mais segura.

O motor Stirling não foi concebido como algo inédito, mas, como um melhoramento dos primeiros motores de ar quente. A  primeira patente de George Stirling  foi registrada como  motor a ar quente com dispositivo "economizador", deixando  claro que o conceito de um motor que funcionasse a ar quente não era algo desconhecido. Também, existem citações na literatura de que, em 1699, Guillaume Amontons tinha tal proposta. Ainda são citadas outras  que teriam sido manifestadas em anos posteriores; Reverendo Henry Wood vigário do condado de Shropshire, no ano de 1759, e Thomas Meade, um engenheiro do condado de  Yorkshire de Sculcoats. 

A APLICAÇÃO DA MÁQUINA A VAPOR AOS TRANSPORTES - O LONGO CAMINHO PERCORRIDO

Locomotiva Rocket. Fonte: Pinterest

* Atualizado em 12/03/2019

 

CENÁRIO

É inegável a importância da máquina a vapor durante o período da Revolução Industrial. Seu surgimento se deu a partir da necessidade do bombeamento de água nas minas de carvão mineral, como visto no post inicial sobre motores de combustão externa.

Vale salientar que o consumo por carvão mineral na Inglaterra - berço da revolução industrial - se intensificou  a partir do século XVI com a crise inglesa da madeira. Nessa época, a principal demanda por madeira como fonte energética era para o uso doméstico e se destinava ao aquecimento e cozimento. Outros usos menos representativos eram o emprego como fonte de calor na metalurgia, olaria e produção de vidro.

A escassez da madeira advinda da extração predatória e as consequentes reações contra o desmatamento incentivaram o uso do carvão mineral.  Nas minas, o bombeamento se fazia necessário para drenar a água e permitir extração de carvão em profundidades maiores.  O bombeamento manual era insuficientemente potente para ser compensador. Esse cenário incentivou a busca por uma nova força motriz.

MOTORES DE COMBUSTÃO EXTERNA - HISTÓRICO DO DESENVOLVIMENTO - DO AEOLOPITO À MÁQUINA A VAPOR DE WATT

AEOLOPITO  -  O PRIMO MAIS DISTANTE

 

 

Fig. 01 - Ilustração do aeolopito (Eolípila) descrito por Heron

       
 Os registros descritivos mais antigos sobre a utilização da energia térmica em motores, parecem ser os de Heron de Alexandria, que viveu no primeiro século depois de Cristo. O seu tratado sobre "Mecânica", que tem recebido publicações consecutivas até datas recentes, versa sobre vácuo, vapor e descreve uma esfera movida a reação de vapor, a "Esfera de Aeorus" também citada como " Aeolopito" ou ainda "Eolípila"

O Aeolopito, ao que consta, era uma esfera que girava centralizada por dois semieixos horizontais ocos que desembocavam nela transferindo o vapor vindo de um recipiente fechado com água em ebulição. Perpendicular ao eixo de rotação da esfera, saiam, em lados opostos, dois tubos curvados e abertos em suas extremidades, de modo a permitir descarga livre do vapor numa linha tangencial ao eixo de rotação da esfera, provocando seu movimento circular. Entretanto não há indicações de que este dispositivo tenha sido utilizado para fornecer força motriz àlguma máquina. Seu uso parece ter sido apenas didático, de entretenimento e, especificamente em templos, decorativo ou místico.

Há ligeiras referências de alguns escritores a uma máquina de propulsão de água que teria funcionado no antigo Egito, mas nenhuma descrição detalhada. Monteiro Lobato, por exemplo, em sua obra infantil História da Invenções, narra através de Dona Benta, sobre referências  à suposta máquinas de fogo utilizadas para bombear água em Alexandria que trabalhavam melhor que escravos. mas que teriam se perdido com a destruição do Império Romano, sem deixar nenhum registro descritivo.