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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Motor a vapor. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Um motor a vapor é um motor térmico de combustão externa que converte a energia do vapor de água em trabalho mecânico do movimento alternativo do pistão e, em seguida, no movimento rotacional do eixo. Em um sentido mais amplo, um motor a vapor é qualquer motor de combustão externa que converte a energia do vapor em trabalho mecânico. A primeira máquina a vapor foi construída no século XVII. Papen e representou um cilindro com um pistão, que foi levantado pela ação do vapor e abaixado pela pressão da atmosfera depois que o vapor de exaustão engrossou. Seguindo o mesmo princípio, as máquinas a vapor de Savery e Newcomen foram construídas em 1705 para bombear água das minas. As melhorias finais no motor a vapor foram feitas por Watt (Watt) em 1769.
Até a segunda metade do século XVIII, as pessoas usavam principalmente motores a água para necessidades de produção. Como é impossível transmitir o movimento mecânico de uma roda d'água a longas distâncias, todas as fábricas tiveram que ser construídas às margens dos rios, o que nem sempre era conveniente. Além disso, para a operação eficiente de tal motor, muitas vezes eram necessários trabalhos preparatórios caros (desenvolvimento de lagoas, construção de barragens, etc.). As rodas d'água também tinham outras desvantagens: tinham baixa potência, seu trabalho dependia da estação e eram difíceis de ajustar. Gradualmente, a necessidade de um motor fundamentalmente novo começou a ser sentida de forma aguda: poderoso, barato, autônomo e facilmente controlado. A máquina a vapor tornou-se uma máquina assim por um século inteiro. A ideia de um motor a vapor foi parcialmente sugerida a seus inventores pelo projeto de uma bomba de água alternativa, conhecida na antiguidade. O princípio de seu funcionamento era muito simples: quando o pistão era levantado, a água era sugada para dentro do cilindro através de uma válvula em seu fundo. A válvula lateral que ligava o cilindro ao tubo de elevação de água estava fechada nessa altura, uma vez que a água deste tubo também tendia a entrar no interior do cilindro e assim fechava esta válvula. Quando o pistão foi abaixado, ele começou a pressionar a água no cilindro, devido ao que a válvula inferior fechou e a válvula lateral abriu. Neste momento, a água do cilindro foi fornecida pelo tubo de subida. Em uma bomba de pistão, o trabalho recebido do lado de fora era gasto na movimentação do líquido através do cilindro da bomba. Os inventores da máquina a vapor tentaram usar o mesmo design, mas apenas na direção oposta. O pistão-cilindro é a base de todos os motores de pistão a vapor.
Os primeiros motores a vapor, no entanto, não eram tanto motores, mas bombas a vapor usadas para bombear água de minas profundas. O princípio de sua operação foi baseado no fato de que, após o resfriamento e a condensação em água, o vapor ocupava 170 vezes menos espaço do que no estado aquecido. Se você forçar o ar para fora do recipiente com vapor aquecido, fechá-lo e resfriar o vapor, a pressão dentro do recipiente será muito menor do que fora. A pressão atmosférica externa comprimirá esse vaso e, se um pistão for colocado nele, ele se moverá para dentro com a força maior, quanto maior sua área. Pela primeira vez, um modelo de tal máquina foi proposto em 1690 por Papin. Em 1702 ele criou sua própria bomba Severi. Mas o mais utilizado na primeira metade do século XVIII foi o motor a vapor de Newcomen, criado em 1711.
O cilindro de vapor foi colocado em Newcomen acima da caldeira a vapor. A haste do pistão (a haste conectada ao pistão) foi conectada por uma conexão flexível à extremidade da barra de equilíbrio. Uma haste de bomba foi conectada à outra extremidade do balanceador. O pistão subiu para a posição superior sob a ação de um contrapeso preso à extremidade oposta da barra de equilíbrio. Além disso, o movimento ascendente do pistão era auxiliado pelo vapor lançado naquele momento no cilindro. Quando o pistão estava na posição mais alta, a válvula era fechada, o que deixava o vapor da caldeira entrar no cilindro e a água era pulverizada no cilindro. Sob a ação dessa água, o vapor no cilindro rapidamente esfriou, condensou e a pressão no cilindro caiu. Devido à diferença de pressão criada dentro do cilindro e fora dele, a força da pressão atmosférica moveu o pistão para baixo, enquanto fazia um trabalho útil - acionou o balanceador, que moveu a haste da bomba. Assim, o trabalho útil foi realizado apenas quando o pistão desceu. Em seguida, o vapor foi novamente lançado no cilindro. O pistão subiu novamente e todo o cilindro se encheu de vapor. Quando a água foi espirrada novamente, o vapor se condensou novamente, após o que o pistão fez outro movimento útil para baixo, e assim por diante. Na verdade, na máquina de Newcomen, a pressão atmosférica fazia o trabalho, e o vapor servia apenas para criar um espaço rarefeito.
À luz do desenvolvimento do motor a vapor, a principal desvantagem da máquina de Newcomen fica clara - o cilindro de trabalho era ao mesmo tempo um condensador. Por causa disso, foi necessário resfriar e aquecer alternadamente o cilindro, e o consumo de combustível acabou sendo muito alto. Houve casos em que havia 50 cavalos com o carro, mal tendo tempo de entregar o combustível necessário. O coeficiente de desempenho (COP) desta máquina dificilmente ultrapassou 1%. Em outras palavras, 99% de toda a energia calórica foi desperdiçada inutilmente. No entanto, essa máquina era muito difundida na Inglaterra, especialmente nas minas, onde o carvão era barato. Inventores subsequentes fizeram várias melhorias na bomba de Newcomen. Em particular, em 1718, Bayton criou um mecanismo de distribuição de ação automática que ligava ou desligava automaticamente o vapor e deixava a água entrar. Ele também adicionou uma válvula de segurança à caldeira a vapor. Mas o conceito da máquina de Newcomen permaneceu inalterado por 50 anos, até que James Watt, mecânico da Universidade de Glasgow, começou a melhorar. Em 1763-1764, ele teve que consertar uma amostra da máquina de Newcomen pertencente à universidade. Watt fez um pequeno modelo e começou a estudar seu funcionamento. Ao mesmo tempo, ele podia usar alguns dos instrumentos que pertenciam à universidade, e usava o conselho de professores. Tudo isso permitiu que ele analisasse o problema de forma mais ampla do que muitos mecânicos antes dele, e ele foi capaz de criar uma máquina a vapor muito mais avançada.
Trabalhando com o modelo, Watt descobriu que quando o vapor era lançado em um cilindro resfriado, ele se condensava em quantidades significativas em suas paredes. Imediatamente ficou claro para Watt que para uma operação mais econômica do motor, era mais conveniente manter o cilindro constantemente aquecido. Mas como neste caso para condensar o vapor? Por várias semanas ele ponderou como resolver esse problema e finalmente percebeu que o resfriamento do vapor deveria ocorrer em um cilindro separado conectado ao tubo principal curto. O próprio Watt lembrou que uma vez, durante um passeio noturno, ele passou por uma lavanderia e então, ao ver nuvens de vapor escapando da janela, ele adivinhou que o vapor, sendo um corpo elástico, deveria correr para um espaço rarefeito. Foi então que lhe ocorreu a ideia de que a máquina de Newcomen deveria ser complementada com um recipiente separado para condensação de vapor. Uma simples bomba, acionada pela própria máquina, poderia retirar ar e água do condensador, de modo que a cada golpe da máquina um espaço de descarga pudesse ser criado ali.
Depois disso, Watt fez várias outras melhorias, como resultado da máquina assumiu a seguinte forma. Os tubos foram conectados a ambos os lados do cilindro: pelo inferior, o vapor entrava na caldeira e pelo superior era descarregado no condensador. O condensador consistia em dois tubos de estanho colocados verticalmente e conectados um ao outro no topo por um tubo horizontal curto com um orifício bloqueado por uma torneira. O fundo desses tubos era conectado a um terceiro tubo vertical que servia como bomba de saída de ar. Os tubos que compunham o refrigerador e a bomba de ar foram colocados em um pequeno cilindro de água fria. O tubo de vapor era conectado a uma caldeira, da qual o vapor era liberado para um cilindro. Quando o vapor encheu o cilindro, a válvula de vapor foi fechada e o pistão da bomba de ar do condensador foi elevado, resultando em um espaço altamente descarregado nos tubos do condensador. O vapor correu para os tubos e se condensou lá, e o pistão subiu, arrastando a carga com ele (é assim que o trabalho útil do pistão foi medido). Em seguida, a torneira de saída foi fechada. Em 1768, com base nesse modelo, a grande máquina de Watt foi construída na mina do mineiro Rebuk, cuja invenção recebeu sua primeira patente em 1769. O mais fundamental e importante em sua invenção foi a separação do cilindro de vapor e do condensador, devido ao qual a energia não foi gasta no aquecimento constante do cilindro. O carro ficou mais econômico. Sua eficiência aumentou. Nos anos seguintes, Watt trabalhou duro para melhorar seu motor. Ao mesmo tempo, ele teve que superar muitas dificuldades, tanto financeiras quanto técnicas. Ele entrou em uma empresa com o proprietário de uma metalúrgica, Bolton, que lhe forneceu dinheiro. Havia outros problemas: o motor exigia aperto e encaixe preciso das peças umas nas outras. O pistão e o cilindro tinham que ser perfeitamente dimensionados para evitar que o vapor escapasse. Tal precisão era nova para a engenharia mecânica da época; não havia sequer as máquinas de precisão necessárias. O rebaixamento de cilindros de grande diâmetro parecia ser um problema quase insolúvel. Como resultado, as primeiras máquinas Watt funcionaram de forma insatisfatória: o vapor escapava do cilindro, os capacitores não funcionavam bem, o vapor assobiava pelo orifício no qual a haste do pistão se movia, vazava entre as paredes do pistão e do cilindro. Tive que criar máquinas especiais para mandrilar cilindros. (Em geral, a criação de uma máquina a vapor marcou o início de uma verdadeira revolução na construção de máquinas-ferramenta - para dominar a produção de máquinas a vapor, a engenharia mecânica teve que subir para um nível qualitativamente superior.) Finalmente, todas as dificuldades foram superadas , e a partir de 1776, começou a produção fabril de motores a vapor. Várias melhorias fundamentais foram feitas na máquina de 1776 em comparação com o projeto de 1765. O pistão foi colocado dentro do cilindro, cercado por uma camisa de vapor (jaqueta). Como resultado, a perda de calor foi reduzida ao mínimo. A caixa foi fechada por cima, enquanto o cilindro estava aberto. O vapor entrou no cilindro da caldeira através de um tubo lateral. O cilindro foi conectado ao condensador por um tubo equipado com uma válvula de saída de vapor. Ligeiramente acima desta válvula e mais próxima do cilindro, foi colocada uma segunda válvula de balanceamento. Quando ambas as válvulas estavam abertas, o vapor liberado da caldeira preenchia todo o espaço acima e abaixo do pistão, forçando o ar através de um tubo para o condensador. Quando as válvulas foram fechadas, todo o sistema continuou em equilíbrio. Em seguida, a válvula de saída inferior foi aberta, separando o espaço sob o pistão do condensador. O vapor deste espaço foi enviado ao condensador, resfriado aqui e condensado. Nesse caso, um espaço rarefeito foi criado sob o pistão e a pressão caiu. De cima, o vapor que saía da caldeira continuava a exercer pressão. Sob sua ação, o pistão desceu e realizou um trabalho útil, que foi transferido para a haste da bomba com a ajuda de um balanceador. Depois que o pistão caiu para sua posição mais baixa, a válvula de balanceamento superior se abriu. O vapor novamente preencheu o espaço acima e abaixo do pistão. A pressão no cilindro foi equilibrada. Sob a ação de um contrapeso localizado na extremidade da barra de equilíbrio, o pistão subiu livremente (sem realizar nenhum trabalho útil). Então todo o processo continuou na mesma sequência. Embora esta máquina de Watt, como o motor de Newcomen, permanecesse unidirecional, ela já tinha uma diferença importante - se o trabalho de Newcomen era feito pela pressão atmosférica, então o vapor o fazia para Watt. Ao aumentar a pressão do vapor, foi possível aumentar a potência do motor e, assim, influenciar no seu funcionamento. No entanto, isso não eliminou a principal desvantagem desse tipo de máquina - elas faziam apenas um movimento de trabalho, trabalhavam em solavancos e, portanto, só podiam ser usadas como bombas. Nos anos 1775-1785, 66 dessas máquinas a vapor foram construídas. Para que uma máquina a vapor pudesse alimentar outras máquinas, era necessário que ela criasse um movimento circular uniforme. A diferença fundamental entre tal máquina era que o pistão tinha que fazer dois movimentos de trabalho - tanto para frente quanto para trás. Tal motor de dupla ação foi desenvolvido por Watt em 1782. O vapor aqui foi liberado primeiro de um lado, depois do outro lado do pistão, e o espaço no lado oposto à entrada de vapor foi conectado cada vez ao condensador. Este problema foi resolvido com a ajuda de um engenhoso sistema de tubos de saída, fechados e abertos com a ajuda de um carretel.
O carretel era uma válvula que se movia na frente de dois orifícios para passar o vapor. Com cada movimento da válvula para um lado ou para o outro, um orifício se abria e outro se fechava, o que fazia com que o caminho pelo qual o vapor pudesse passar mudasse. O movimento do carretel tinha um caráter complexo em cada posição extrema, quando um furo estava aberto e o outro estava fechado, ele tinha que parar um pouco para pular uma parte do vapor, e passar a posição do meio o mais rápido possível. possível. O movimento do carretel foi controlado por um mecanismo especial localizado no eixo. A parte principal era um excêntrico.
O excêntrico, inventado por Watt, consistia em uma placa de forma especial, situada em um eixo localizado não no centro dessa placa, mas a alguma distância dela. Com esta montagem, havia mais placa em um lado do eixo do que no outro. A própria placa era cercada por um anel, ao qual uma haste era presa para mover o carretel. Durante a rotação da placa, sua redondeza pressionava constantemente um novo ponto dentro da superfície do anel e, com seu lado mais largo, o punha em movimento. Junto com cada volta do eixo, ocorreu um curso do carretel. A natureza da rotação do anel (e, consequentemente, o movimento do impulso) dependia da forma da placa inserida no excêntrico. Por meio de cálculos, foi selecionada essa forma, que durante uma revolução causou aceleração, desaceleração ou parada do carretel. Com a introdução deste dispositivo, Watt tornou a operação de sua máquina totalmente automática. A princípio, o funcionamento do motor era observado por um trabalhador, cuja função era regular o fornecimento de vapor. Se o motor começar a dar velocidade muito alta, ele bloqueou o tubo de distribuição de vapor com um amortecedor especial e, assim, reduziu a pressão do vapor. Em seguida, essa função foi atribuída a um regulador centrífugo especial, organizado da seguinte forma. O movimento do eixo de trabalho foi transmitido para a polia reguladora. Quando este começou a girar muito rápido (e, portanto, a rotação do motor aumentou excessivamente), as esferas reguladoras se ergueram sob a ação da força centrífuga e acionaram uma manga de válvula e uma alavanca que limitava a quantidade de vapor. Com a diminuição do número de revoluções, as bolas caíram e a válvula abriu ligeiramente.
Dada a operação de todos esses dispositivos, é fácil imaginar o princípio geral da máquina. Da caldeira de vapor, o vapor passava pelo tubo para o espaço b e, a partir daí, devido ao movimento do carretel, era direcionado para o cilindro acima do pistão B ou abaixo dele. Quando o vapor entrava no espaço acima do pistão, este descia e, uma vez sob o pistão, o levantava. Havia uma válvula na tubulação de vapor que permitia a passagem de mais ou menos vapor, dependendo da necessidade. A posição da válvula foi regulada por um regulador centrífugo de vapor f. No eixo principal ficava um excêntrico, cuja haste SS passava do outro lado da máquina sob a caixa do carretel e, com a ajuda de uma alavanca, elevava ou abaixava o carretel. O movimento do pistão B foi transmitido para a haste O, que passou completamente firmemente na cabeça do cilindro e dela para o balancim móvel. Na extremidade oposta do balancim estava a parte G, que capturava a manivela do eixo principal K por baixo. Assim, a cada subida e descida do pistão, havia uma revolução desse eixo e o volante L assentado sobre ele. força foi transmitida do eixo principal usando cintos ou outros meios lá, onde deveria ser usado. O condensador estava localizado na parte inferior da máquina. Consistia em um tanque cheio de água, que era constantemente renovado por meio de uma bomba q, e um tanque D onde ocorria a condensação. A água fria não apenas cercava o tanque, mas também respingava nele através de muitos pequenos orifícios. A água quente drenada era constantemente bombeada com a ajuda da bomba de água C. A água quente entrava na caixa e era novamente bombeada para a caldeira de vapor com a ajuda da bomba Mm.
A criação de um mecanismo para transmitir o movimento do pistão ao eixo exigiu enormes esforços de Watt. Muitas das tarefas que ele resolveu geralmente estavam no limite das possibilidades técnicas da época. Um dos problemas foi criar o aperto necessário. Em um cilindro de dupla ação, diferentemente de um cilindro de simples ação, ambos os lados tinham que ser bem fechados. Mas como o pistão tinha que ter uma conexão com peças externas, um orifício redondo foi deixado na tampa, no qual a haste do pistão (haste) ficou completamente apertada. Watt surgiu com a ideia de colocar uma espessa camada de estopa oleada bem aparafusada na tampa, ao longo da qual a haste deslizava sem tocar o metal do cilindro. Além disso, a haste, devido à sua suavidade, esfregou muito pouco. Outro problema estava no próprio mecanismo de conversão do movimento: afinal, para transferir o trabalho útil realizado pelo pistão durante seu movimento ascendente, era necessário que a haste do pistão estivesse rigidamente conectada à barra de equilíbrio. Em todos os motores a vapor anteriores, eles eram conectados por uma corrente. Agora eu tinha que pensar em como conectar rigidamente a haste, que se movia em linha reta, e a extremidade do balanceador, que se movia em arco. Watt conseguiu isso criando um dispositivo de transmissão especial, que é chamado de paralelogramo de Watt.
A extremidade do balancim A foi articulada aqui por uma articulação ADB com o ponto B da alavanca BC conectado no ponto C a alguma parte fixa do motor. Assim, todo o sistema tinha dois pontos fixos de rotação: o centro da barra de equilíbrio, em torno do qual oscilava a barra de equilíbrio, e o ponto C, em torno do qual girava a alavanca CB. O ponto A na extremidade da barra de equilíbrio e o ponto B na extremidade da alavanca CB moveram-se ao longo dos arcos descritos a partir do centro da barra de equilíbrio e do ponto C. Ao mesmo tempo, o ponto D na haste ADB conecta os pontos A e B fez movimentos muito próximos da vertical e retilínea. Este ponto foi conectado à haste do pistão. Posteriormente, Watt melhorou este dispositivo de transmissão obtendo dois pontos conectando o movimento retilíneo. Ele conectou um deles à haste do pistão e o outro à haste da bomba auxiliar que serve ao motor. A criação deste dispositivo de transmissão exigiu tanto esforço de Watt que ele o considerou sua maior invenção. Ele escreveu: "Embora eu não me importe particularmente com minha fama, estou mais orgulhoso da invenção do paralelogramo do que qualquer outra das minhas invenções".
Em seguida, os movimentos oscilatórios da barra de equilíbrio foram convertidos com a ajuda de uma manivela em rotacional (já que o mecanismo de manivela foi patenteado por Picard, nas primeiras máquinas de Watt, o movimento oscilatório da barra de equilíbrio foi convertido em movimento rotacional usando o mecanismo solar-planetário mecanismo criado por Watt, assim que a patente de Picard expirou, eles começaram a usar uma transmissão por manivela). Graças ao movimento de rotação do eixo de trabalho obtido como resultado de todas essas transformações, o novo motor Watt era adequado para acionar outras máquinas de trabalho. Isso lhe permitiu desempenhar um papel revolucionário no desenvolvimento de uma grande indústria de máquinas. Durante os anos de 1785-1795, 144 desses motores a vapor foram produzidos e, em 1800, motores a vapor de 321 Watts já estavam operando na Inglaterra. Eles foram usados literalmente em todas as esferas de produção. A grande obra de Watt foi devidamente apreciada por seus contemporâneos e descendentes. Após a morte do inventor em 1819, o Parlamento inglês honrou sua memória com a construção de um monumento de mármore na Abadia de Westminster. Autor: Ryzhov K.V.
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