02 - Maquina a Vapor a pistao

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A EVOLUÇÃO HISTÓRICA 
DO MOTOR Á VAPOR
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR
O homem no decorrer do seu processo evolutivo
prospectou minérios, descobriu o ferro e os metais,
aprendeu a moldar os metais e criou a metalurgia.
A metalurgia, associada ao fogo e a água, passou a gerar
energia através da pressão do vapor.
Esta energia passou a impulsionar as máquinas no
mundo.
Durante séculos o motor á vapor foi o único motor
existente.
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR 
AEULOPILA
130AC. - Heron de Alexandria
(Egito) constrói um dispositivo
esférico, que girava movido
pela pressão de escape do
vapor. Chamou-o de Aeulopila.
.
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR 
FERDINAND VERBIEST
1550 - O missionário jesuíta holandês Ferdinand Verbiest, constrói e
demonstra ao Imperador da China Shun Chih, um pequeno veículo de 4
rodas, autopropelido, que utilizava um jato de vapor soprando sobre
um cata-vento. Na época isto foi considerado mera curiosidade.
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR
GIOVANNI BATISTA DELLA PORTA
1601 - O italiano Giovanni
Batista della Porta, publica
o projeto de uma máquina
para bombear água,
utilizando a pressão do
vapor.
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR
GIOVANNI BRANCA
1629 - Giovanni Branca,
químico italiano constrói um
motor, onde um jato de vapor
movimentava uma turbina, cujo
movimento é otimizado através
de engrenagens redutoras e
produz trabalho útil.
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR 
EDWARD SOMERSET - MARQUES DE WORCESTER 
1663 - Surge uma necessidade: No
norte da Inglaterra o carvão de pedra é
retirado de minas cada vez mais
profundas. As galerias das minas se
enchem de água, a qual é removida por
intermédio de baldes e cordas. Edward
Somerset, Marques de Worcester
constrói um dispositivo a vapor, que
retira 100 litros d’água por descarga (a
cada 4 minutos). Considera-se este
dispositivo a primeira máquina a vapor
que produziu trabalho útil.
-
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR 
DENIS PAPIN 
1690 - O francês Denis
Papin utiliza a condensação
do vapor sob um embolo
para produzir sucção.
Neste motor a caldeira e o
cilindro do motor são a
mesmo componente.
Papin é o inventor da
Panela de Pressão.
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR
THOMAS SAVERY 
1698 - Thomas Savery aperfeiçoa a máquina para retirar água das minas
de carvão. Sua máquina consiste em dois vasos que operam
alternadamente.
Ao se injetar vapor no vaso, este expulsa o
ar contido, e quando o vapor se condensa
forma um vácuo que abre a válvula
(direcional) inferior succionando a água
para o interior do vaso. Em seguida
injeta-se vapor no vaso o qual empurra a
água. O problema desta máquina era a
pressão do vapor de 150 Psi, que
empurrava a água até uma altura máxima
de 10,5 metros quando as pressões se
equilibravam. Esta é a primeira máquina
comercializada que fazia uso da sucção por
condensação do vapor
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR
THOMAS NEWCOMEN
1705 - O ferreiro inglês Thomas
Newcomen, constrói um motor
movido a vapor que funciona com
ótimo rendimento.
Este motor torna-se um padrão,
sendo fabricado pelos próximos 75
anos.
Newcomen melhorou o
desempenho do motor de Papin
separando o cilindro e a caldeira
em unidades distintas.
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR
THOMAS NEWCOMEN
A grande novidade deste motor é que a
condensação do vapor era provocada
pela injeção de água fria no interior do
cilindro, e o bombeamento da água era
produzido pelo deslocamento de um
pistão dentro de outro cilindro.
Agora não existe mais o limite de
altura. Este aparelho bombeava
grandes quantidades de água em
pouco tempo. Tinha porém um
inconveniente, os registro tinham de
ser abertos manualmente, serviço
executado normalmente por crianças. "Newcomen atmospheric engine animation" by
Emoscopes - Own work, drawn using XaraX
software. Licensed under CC BY 2.5 via
Wikimedia Commons
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR
THOMAS NEWCOMEN
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR
Cugnot constrói o que se considera o 
primeiro automóvel do mundo
1763 - O capitão francês, Nicholas Joseph Cugnot projeta
e constrói o que se considera o primeiro automóvel do
mundo. Uma carreta movida á vapor para a tracionar
canhões. O veículo atinge a velocidade máxima de 4 km/h.
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR 
JAMES WATT
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR 
JAMES WATT
1769 - O escocês James Watt,
observou que a bomba de
Newcomen tinha um consumo de
vapor muito alto, para cada ciclo
é necessário se injetar vapor duas
vezes na câmara.
Alem do mais a máquina não
tinha válvulas de segurança e
proteções para os operadores,
funcionava sem lubrificação, os
registros das válvulas tinham de
ser abertos manualmente.
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR 
JAMES WATT
Watt construiu um motor
onde resolveu e automatizou
todos as deficiências
detectadas na máquina de
Newcomen.
James Watt foi o primeiro que
produzia e comercializava
motores com uma potência de
trabalho conhecida, e
comparada ao trabalho
produzido por cavalos.
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR 
JAMES WATT
James Watt criou uma
unidade que permanece
até os dias atuais o
cavalo-vapor (75kg/m/s.)
Máquinas a Vapor a Pistão
MUSEU DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA LONDRES
Máquinas a Vapor a Pistão
MUSEU DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA LONDRES
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR
NICHOLAS JOSEPH CUGNOT 
1770 -Cugnot constrói seu segundo veículo, com autonomia de
funcionamento de 15 minutos antes de acabar o vapor de sua
caldeira. Durante testes atinge a velocidade de 5 Km/h, Cugnot
perde o controle do veículo, derruba uma parede e o veículo
capota. As autoridades julgam o veículo perigoso, o apreendem
e proíbem Cugnot de continuar com seus experimentos.
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR 
WILLIAMS MURDOCH
1784 - Williams Murdoch constrói uma carruagem com o
primeiro motor a vapor, sem condensação.
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR
RICHARD TREVITHICK
1804 - O engenheiro ingles Richard Trevithick, constrói a
Lokomotion: Primeira locomotiva que se deslocava sobre trilhos, nos
15 Km entre as cidades de Pennydarram e Albercynon (País De
Gales). Em 1804 sua locomotiva rebocou cinco vagões carregados
de minério de ferro e em cima deles, mais setenta homens.
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR
RICHARD TREVITHICK
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR
George Stephenson
1813 - O engenheiro inglês
George Stephenson, foi o
verdadeiro criador da tração a
vapor em estrada de ferro.
Foi o primeiro a compreender o
princípio de aderência de rodas
lisas sobre uma superfície
também lisa.
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR
George Stephenson
Construiu em 1813 a locomotiva
"Blucher", experimentada em 25
de julho de 1814, puxou 8
vagões com 30 toneladas, entre
Lilligwort e Hetton.
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR
George Stephenson
1821 - Geórge Stephenson, encarregado de construir uma ferrovia entre
Stockton e Darlington, na Inglaterra, criou uma Lokomotion com dois
eixos motores, realizando a primeira viagem entre as duas cidades em
27 de setembro de 1825, puxou uma composição de 21 vagões
completamente lotados de hulha, em toda a extensão de 61 quilômetros.
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR
1825 - Em 27 de setembro de 1825, circulou na linha de Stockton a
Darlington (51 km), Inglaterra, o primeiro trem de passageiros,
tracionado pela locomotiva "Active", depois denominada "Locomotion",
transportando 600 pessoas e 60 toneladas de carga.
A EVOLUÇÃO DO MOTOR Á VAPOR
1827 - Timothy Hackworth
aperfeiçoou a locomotiva a
vapor, substituindo as rodas de
ferro fundido por rodas de ferro
forjado, com três eixos motores
acoplados. No mesmo ano, na
França, Marc Seguin inventou a
caldeira tubular.
Primeira linha férrea
1830 - A primeira linha férrea liga duas cidades, com objetivo de
transportar regularmente cargas e passageiros, foi construída na
Inglaterra por Geórge Stephenson, entre Liverpol e Manchester,
inaugurada a 5 de setembro de 1830.
Foi a obra capital de Stephenson, a locomotiva "The
Rocket" (O Foguete) de 1829, funcionava utilizando o
princípio da caldeira tubular.
Entre 1830 e 1840, Stephenson coordenou a construção de várias
linhas inglesas e na Suécia, Dinamarca, Bélgica, Suíça eEgito.
Em Newcastle, Inglaterra, fundou uma fábrica de locomotivas,
dirigida por seu filho, Robert Stephenson(1803-1859). Uma
verdadeira "febre de construção de máquinas á vapor" tomou conta
da Inglaterra a partir de 1840.
Primeira linha férrea
Primeira linha férrea - The Rocket
Primeira linha férrea - The Rocket
Exemplo de um
Motor Grande
Motor a Vapor BORSIG -
Dois cilindros, tripla
expansão - 2500 HP.
12 metros de altura Ano
de fabricação: 1900
Exemplo de um Motor Grande
MÁQUINA A VAPOR A PISTÃO
COMPONENTES
E 
PRINCIPIO DE 
FUNCIONAMENTO
MAQUINAS A VAPOR A PISTÃO
MÁQUINA A VAPOR A PISTÃO
INTRODUÇÃO
A máquina a vapor é um motor térmico de
combustão externa, converte a energia calorífica
em energia mecânica, a combustão se realiza fora
do motor propriamente dito.
MÁQUINA A VAPOR A PISTÃO
Por outro lado, a máquina a vapor é um motor de
movimento alternativo, que aproveita a ação do vapor
de água a pressão que, ao expandir-se, produz este
movimento.
Este vapor de água a pressão deve ser obtido em uma
instalação produtora de vapor (em uma caldeira com seus
anexos) e será dirigido depois mediante tubulações até os
órgãos de admissão da máquina.
COMPONENTES DAS MÁQUINAS A VAPOR A PISTÃO
TIPOS DE MÁQUINA A VAPOR 
As máquinas de vapor podem ser horizontais ou
verticais, de acordo com a direção do movimento
do embolo.
Podem ser de simples ação se o percurso do
cilindro é aproveitado somente em um sentido, ou
de dupla ação se este percurso é aproveitado em
ambos os sentidos.
TIPOS DE MÁQUINA A VAPOR 
Se a pressão do vapor é aproveitado somente uma vez, a
máquina é de simples expansão.
Se o vapor não se expande totalmente em um cilindro, pode
aproveitar-se a pressão resultante do vapor de escape para
introduzi-lo em outro cilindro, obtendo-se a máquina de
dupla expansão; se houver um triplo escalonamento de
pressões, teremos a máquina de tripla expansão.
As máquinas de simples expansão, são chamadas também de
monocilíndricas e as de dupla e tripla expansão, são
denominadas máquinas compound (compostas).
Representação esquemática de uma 
máquina a vapor monocilíndrica
MAQUINAS A VAPOR A PISTÃO
Esquema de funcionamento de um 
máquina a vapor de dupla ação
Esquema de funcionamento de um 
máquina a vapor de dupla ação
Esquema de funcionamento de um 
máquina a vapor de dupla ação
VÁLVULAS DE DISTRIBUIÇÃO
Nas máquinas a vapor modernas, foram substituídas as
válvulas de admissão e de escape pelas denominadas
válvulas de distribuição, as quais vão comandadas pela
manivela principal ou virabrequim da máquina através de
uma manivela ou uma excêntrica.
Estas válvulas admitem o passo do motor no cilindro,
fecham herméticamente este último quando o vapor
empurra o embolo e permitem a saída do vapor ao exterior
do cilindro quando termina a sua expansão.
VÁLVULAS DE DISTRIBUIÇÃO
As válvulas de distribuição podem ser deslizantes ou de
elevação. Entre as válvulas deslizantes há as corredeiras
planas, de simples ou dupla ação, e as corredeiras de
pistão
Outro tipo de válvulas de distribuição é válvula Corliss.
Corredeira plana de dupla ação
VÁLVULAS DE DISTRIBUIÇÃO
Corredeira plana de dupla ação.
Corredeira de pistão Corliss
Diagrama de pressão
A ação combinada das válvulas de distribuição e do
embolo, podem ser vistas por meio de um diagrama de
pressão que expressa o ciclo termodinâmico da máquina a
vapor.
As abcissas, que correspondem às posições do embolo,
são proporcionais ao volume do vapor, as ordenadas são
proporcionais à pressão do mesmo.
Diagrama de pressão teórico de uma
máquina a vapor simples ação
Diagrama de pressão
No diagrama estão representadas esquematicamente as sucessivas
posições do embolo e das válvulas de admissão e de escape, durante o
ciclo de funcionamento da máquina.
A pressão inicial do vapor, à saída da válvula de admissão, está
representada por Pa, a pressão de escape Pe é sempre maior que a
pressão atmosférica P0, que foi tomada como origem das abscisas, e é
a pressão que o vapor tem ao sair pela válvula de escape.
Não se pode aproveitar toda a longitude do cilindro como percurso útil
do embolo, sempre existirá uma zona ou espaço morto, devido a
situação da válvula de admissão.
Representação esquemática do ciclo de 
funcionamento de uma máquina a vapor
Diagrama real de pressão
O diagrama real de funcionamento da mesma máquina de
vapor, não coincide com o diagrama teórico.
Isso se deve a diferentes causas, tais como a expansão
incompleta do vapor, o estrangulamento do mesmo
durante a admissão e o escape, etc...
Diagrama de pressão real
máquina a vapor de simples ação
Diagrama real de pressão
Nas máquinas de dupla ação, o diagrama de pressão também é
duplo.
Como a área do interior do diagrama é proporcional ao trabalho
realizado pelo vapor sobre o embolo. E como a pressão media
efetiva é aquela que, se fosse exercida durante o percurso
completo, produziria o mesmo trabalho que a pressão variável
real, conhecendo a escala de pressões do diagrama, o valor
desta pressão media efetiva, pode ser determinado facilmente.
Esta magnitude é importante para calcular a potência de uma
máquina a vapor.
Diagrama de pressão real
máquina a vapor de dupla ação
Características de funcionamento das 
máquinas de vapor
A potência desenvolvida por uma máquina a vapor
depende da pressão e da quantidade de vapor admitida no
cilindro por segundo.
A pressão varia ao longo do percurso do pistão, razão pela
qual se adota um valor médio, denominado pressão media
efetiva e que pode ser deduzida a partir do diagrama de
pressão.
Nessas condições, a potência, expressa em CV será, para
uma máquina de simples ação será:
Características de funcionamento das 
máquinas de vapor
Onde: p = pressão media efetiva, em kg/cm2.
l = longitude do percurso do embolo, em m.
a = seção efetiva da cara do embolo em cm2.
n = velocidade em r.p.m.
O numeral 4.500 é a relação de conversão das unidades de medida da
fórmula anterior, para que o resultado seja expresso diretamente em CV.
Nas máquinas de dupla ação, a potência desenvolvida é quase o dobro
da expressa na fórmula anterior.
 C.V. 
4.500
 p.l.a.n 
 = P
Máquinas a vapor monocilíndricas
São utilizadas somente para pequenas potências, ou seja, em centrais
elétricas de pequenas industrias ou em algumas centrais antigas de
pequenas cidades.
Geralmente, estas máquinas são montadas com instalação de
condensação, já que o seu funcionamento com escape livre
representará um desperdício de combustível.
Existem máquinas monociliíndricas para vapor saturado e para vapor
reaquecido à temperatura de 350 ºC. Em ambos os casos, a pressão
do vapor oscila entre 8 e 12 atmosferas.
Máquinas a vapor monocilíndricas
Máquinas compound
Nestas máquinas o vapor de escape do primeiro cilindro é reinjetado
na admissão de um segundo cilindro (máquinas de dupla expansão)
ou, algumas vezes, o vapor de escape do segundo vai a um terceiro
cilindro (máquinas de tripla expansão). Em varias ocasiões, a manivela
é substituída pela árvore, para somar os efeitos dos cilindros.
Como o vapor de escape é melhor aproveitado, estas máquinas tem
melhor rendimento que as anteriores e podem construir-se com ou
sem condensador, para vapor saturado e para vapor reaquecido até
350 ºC. Atualmente, atinge pressões de mais de 25 atmosferas no
cilindro de alta pressão.
CENTRAL COM MÁQ. A VAPOR A PISTÃO - COMPOUND
As máquinas compound podem ser abertas ou fechadas, nas máquinas
abertas os cilindros de alta e de baixa pressão estão separados. Nas
fechadas, ambos cilindros formam exteriormente um conjunto.
máquina compound aberta máquina fechadas
Máquinas compound
Diagrama real de pressão de uma
máquina a vapor compound
APLICAÇÕES DE MÁQUINAS A 
VAPOR A PISTÃO
LOCOMOTIVA A VAPOR
DETALHE DO PISTÃO
BARCOS A VAPOR
BARCOS A VAPOR
FÁBRICAS SECULO XIX
FÁBRICAS SECULO XIX
FÁBRICAS SECULO XIX
FÁBRICAS SECULO XIX
Templeton Carpet Factory
FÁBRICAS SECULO XIX
CENTRALELÉTRICA ACIONADA COM MÁQUINA A 
VAPOR A PISTÃO - USINA “REGINA MARGHERITA” 
USINA “REGINA MARGHERITA”
A central “Regina Margherita” foi inaugurada na presença dos reis da
Itália, Umberto I e sua consorte, Margherita, em 1895. A central fornecia
luz e força à fábrica de seda Desio Gavazzi em Milão e foi fechada em
1954. Sua caldeira gerava vapor que era distribuído na instalação.
Também gerava eletricidade e força, via pistões, volante e polias.
Os cilindros de alta e baixa pressão tem 1,1 e 1,5 m de diâmetro
respectivamente e 2,05 e 2,35 m de comprimento. Embora não gere mais
vapor, a maquina pode ser vista trabalhando no Museu de Milão acionada
por um motor elétrico.
Especificações Técnicas:
Potência Máxima: 264-465 H.P. - 85 rpm – Consumo de vapor: 4.40 kg por H.P./h
Pressão de vapor: 11 atm. a 300°C – Dois cilindros paralelos – Compound
Volante: 5.34 m de diâmetro – Dois alternadores com 200 V a 300 rpm.
FIM