Grandes inventos da
humanidade
Tempo mais curto para
viagens muito longas
A Revolução Industrial é um divisor de águas na história e quase todos
os aspectos da vida cotidiana da época foram influenciados de alguma forma por
este processo iniciado pela máquina a vapor. A população começou a experimentar
um crescimento sustentado sem precedentes históricos, com uma boa renda média.
Nas palavras de Robert E. Lucas Jr., ganhador do Prêmio Nobel:
"Pela primeira vez na história o
padrão de vida das pessoas comuns começou a se submeter a um crescimento
sustentado... Nada remotamente parecido com este comportamento econômico é
mencionado por economistas clássicos, até mesmo como uma possibilidade teórica."
Navio a
vapor
O motor a vapor, que é chamado de máquina a vapor e costumeiramente refere-se também a turbina a vapor outro tipo de máquina térmica que explora a pressão do
vapor. Todas as máquinas térmicas
funcionam baseadas no princípio de que o calor é uma forma de energia, ou seja,
pode ser utilizado para produzir trabalho, e seu
funcionamento obedece às leis da termodinâmica. Embora a invenção do motor de combustão interna no final do século XIX parecesse
ter se tornado obsoleta a máquina a vapor, ainda hoje, é muito utilizada, por
exemplo, nos reatores nucleares que
servem para produzir energia elétrica e nas usinas termoelétrica que produzem 30% da
eletricidade produzida no Brasil.
No caso da máquina
a vapor, o fluido de
trabalho é o vapor de água, sob alta
pressão, e alta temperatura. O
funcionamento da turbina a vapor baseia-se no principio de expansão do vapor,
gerando diminuição na temperatura e energia interna; essa energia interna
perdida pela massa de gás reaparece na
forma de energia mecânica, pela força exercida contra um êmbolo. Há
diversas classificações possíveis para as turbinas a vapor, mas a mais comum é
dividi-las entre:
De condensação - É um
sistema fechado de geração de energia. Neste, o vapor tanto atravessa a turbina
fazendo-a girar como também, ao ser condensado, gera uma zona de baixa pressão
no difusor de saída da turbina aumentando o giro e realimentando a caldeira com
o agente para novo ciclo. É o tipo mais comum em centrais termoeléctricas e
nucleares.
De contrapressão -
Assim chamado é o método mais arcaico que se pode usar numa máquina térmica. É
o mesmo projeto de Heron de Alexandria usado no segundo século antes de Cristo, o sistema
Contrapressão é similar a uma máquina a vapor conhecida pelo nome de eolípila.
O fato do vapor não
passar por um condensador ao sair da turbina, ocasiona a perda de potencia da
turbina. Ele deixa a turbina ainda com certa pressão e temperatura e pode ser
aproveitado em outras etapas de uma planta de processo químico, seja em aquecedores, destiladores, estufas, ou
simplesmente é lançado na atmosfera. Este tipo
é muito usado para acionamento ou cogeração de
energia, em usinas petroquímicas, navios, plataformas de petróleo, etc...embora seja
o sistema mais primitivo de captação de energia.
Fábricas
usando máquinas a vapor
As primeiras máquinas a vapor foram construídas na Inglaterra durante o século XVIII. Retiravam
a água acumulada
nas minas de ferro e de carvão e
fabricavam tecidos. Graças a
essas máquinas, a produção de mercadorias aumentou muito. E os lucros dos
burgueses donos de fábricas cresceram na mesma proporção. Por isso, os
empresários ingleses começaram a investir na instalação de indústrias. As
fábricas se espalharam rapidamente e provocaram mudanças tão profundas que os
historiadores atuais chamam aquele período de Revolução Industrial. O modo de
vida e a mentalidade de milhões de pessoas se transformaram, numa velocidade
espantosa. O mundo novo do capitalismo, da cidade, da tecnologia e da mudança
incessante triunfou. As máquinas a vapor bombeavam a água para fora das minas
de carvão. Eram tão importantes quanto as máquinas que produziam tecidos. As
carruagens viajavam a 12 km/h e os cavalos, quando se cansavam, tinham de ser
trocados durante o percurso. Um trem da época alcançava 45 km/h e podia seguir
centenas de quilômetros. Assim, a Revolução Industrial tornou o mundo mais
veloz. Como essas máquinas substituíam a força dos cavalos, convencionou-se em
medir a potência desses motores em HP (do inglês horse power ou cavalo-força).
Construtivamente as
partes principais são:
Feita de aço fundido e
usinado internamente, montada na horizontal. A espessura da carcaça pode
ultrapassar 150mm na
região de alta pressão. A função da carcaça é conter todo o conjunto rotativo,
composto pelo eixo e
pelas palhetas, e
adicionar os bocais (nozzles) fixos.
Embora a função
seja simples, o projeto mecânico da carcaça é bastante complexo e crítico para
o bom funcionamento da turbina a vapor. A principal razão disto, é a alta
temperatura que a turbina funciona, e as pequenas folgas entre as partes fixas
e as partes rotativas.
Quando o vapor
entra na turbina, a alta temperatura ocorre uma grande dilatação do material,
que pode facilmente exceder 15 mm dependendo do tamanho da turbina. Quando
ocorre esta dilatação, há o risco de as folgas entre as partes fixas e móveis
serem reduzidas a ponto de haver roçamento, e consequentemente, desgaste ou
mesmo ruptura das palhetas.
Também, devido a
grande espessura da parede, há grandes gradientes térmicos.
A parte interna, em contato com o vapor, se dilata mais, devido à alta
temperatura. A parte externa da parede, em contato com o ambiente, se dilata
menos. Essa diferença entre a dilatação do material na parte interna e externa
da parede dá origem a fortes tensões que podem causar distorção ou fadiga térmica.
Na carcaça são
montados um conjunto de 2 a 4 mancais, dependendo do tamanho da turbina. Os
mancais podem ser ainda:
de guia: são os que suportam o peso do
eixo e o carregamento radial. Permitem que ele tenha movimento giratório
livre de atrito.
de escora: suportam a carga axial decorrente do
"choque" do vapor com
as palhetas. É montado no sentido horizontal.
Os mancais de
turbinas a vapor não usam rolamentos. Eles são do tipo hidrodinâmico, em que o
eixo flutua sobre um filme de óleo em
alta pressão que é causada pelo próprio movimento do eixo, relativo à parede do mancal.
O mancal também tem
um sistema de selagem de óleo e de vapor. Este sistema de selagem impede que
vapores de óleo, ou de água, passem da turbina para o ambiente. Normalmente o
sistema é constituído de uma série de labirintos que provocam uma perda de
carga no fluxo de vapor, reduzindo o vazamento.
|
|
|
O rotor é a
parte girante da turbina e responsável pela transmissão do torque ao
acoplamento. No rotor são fixadas as palhetas, responsáveis pela extração de
potência mecânica do vapor. O rotor é suportado pelos mancais, normalmente
pelas extremidades. É fabricado com aços ligados e forjados. Os materiais que são
empregados atualmente são ligas com altos percentuais de níquel, cromo ou molibdênio. Nas
máquinas mais modernas, são feitos a partir de um lingote fundido à vácuo, e depois
forjado.
O eixo deve ser
cuidadosamente balanceado e livre de imperfeições superficiais, que podem
funcionar com concentradoras de tensões, o que reduz a resistência à fadiga do
eixo.
Em uma das
extremidades do eixo é feito o acoplamento, seja a um gerador elétrico, ou a uma máquina de fluxo, como um ventilador, um compressor ou
uma bomba. Mas, devido a necessidade de se obter uma rotação
diferente no acoplamento, muitas vezes o eixo é ligado a uma caixa redutora de
velocidade, onde a rotação da turbina é aumentada ou reduzida, para ser
transmitida ao acoplamento.
As palhetas são
perfis aerodinâmicos,
projetados para que se obtenha em uma das faces uma pressão positiva, e na
outra face uma pressão negativa. Da diferença de pressão entre as duas face é
obtida uma força resultante, que é transmitida ao eixo gerando o torque do
eixo.
Os labirintos são
peças aplicadas em turbinas a vapor com a finalidade de vedar a carcaça sem
atritar. São fabricados na grande maioria em alumínio e são
bipartidos radialmente para facilitar a manutenção da máquina. Internamente,
eles são aplicados para garantir o rendimento da turbina. Nos casos em que há
mais de um motor, o vapor não pode se dissipar dentro da carcaça para não
perder energia e baixar o rendimento da máquina. Os labirintos também são
utilizados na vedação da carcaça em relação ao ambiente externo, evitando
também a dissipação do vapor para a atmosfera.
Aspecto da
revolução industrial
Nas turbinas de
grande porte, há a injeção de vapor nos labirintos, por meio de uma tomada vinda
da própria máquina, para equalizar as pressões e garantir a vedação da carcaça.
Nenhum comentário:
Postar um comentário