Máquina a vapor composta
Um motor composto ou motor de expansão múltipla (engl. Motor composto ) é um motor a vapor com pelo menos duas unidades de trabalho comutadas sucessivamente na direção do vapor. Em 1874, Anatole Mallet solicitou uma patente para o uso do princípio composto na construção de locomotivas .
A eficiência efetiva de uma máquina a vapor composta com jaquetas e receptores aquecidos era de 7,2% em 1893. O aumento da eficiência por meio da construção composta também é conhecido como efeito composto .
Composto descontínuo, motores a pistão
função
Em uma máquina a vapor composta de pistão , o vapor de alta pressão no primeiro cilindro se expande para uma pressão média . Após esta primeira expansão, o vapor parcialmente expandido não é liberado para a atmosfera ou alimentado para um condensador , como é o caso da máquina simples, mas alimentado para outra unidade de cilindro com sua pressão residual para a realização de trabalhos posteriores , que, com um maior deslocamento, a capacidade de trabalho do já expandido para um volume maior A porção de vapor continua a trabalhar com pressão mais baixa. Como a redução da temperatura do vapor é distribuída sobre as peças da máquina separadas espacialmente com o método composto, o dano à superfície é reduzido ; o vapor perde menos calor nas paredes frias do que na expansão de estágio único (= resfriamento).
Este uso em vários estágios (também são possíveis mais de dois estágios) da pressão do vapor resulta em melhor aproveitamento da energia específica contida no vapor ( entalpia ). Os motores a vapor compostos são, portanto, mais econômicos em termos de consumo de combustível e água do que os motores a vapor comparáveis com expansão de vapor de estágio único. Na saída do último cilindro costuma haver um condensador no qual o vapor é liquefeito e a água retorna ao circuito.
usar
O princípio da máquina a vapor composta foi usado em locomotivas a vapor com motores de dois, três e quatro cilindros . Também é possível implementar mais de dois estágios de utilização da pressão do vapor em motores a pistão conectados em série.
As máquinas de expansão quádrupla eram muito raras devido ao seu tamanho e facilidade de execução. A primeira máquina deste tipo foi construída na Kaiser Friedrich em 1898 . Tinha cinco cilindros que funcionavam em três manivelas. A baixa pressão foi processada em dois cilindros, todas as demais etapas consistindo em apenas um cilindro.
construção
Durante o desenvolvimento de motores a vapor compostos, foi reconhecido que, devido à expansão parcial do vapor no cilindro de alta pressão, uma área maior foi necessária para o cilindro de baixa pressão, porque hastes de pistão de diferentes comprimentos foram descartadas devido a considerações práticas. Em primeiro lugar, a área do cilindro de baixa pressão foi dobrada em relação ao cilindro de alta pressão porque, por uma questão de simplicidade, foi assumido que a pressão do vapor seria reduzida à metade. No caso das máquinas compostas de três cilindros com dupla expansão a vapor, isso favoreceu o desenvolvimento de projetos com um cilindro de alta pressão e dois de baixa pressão, cada um com o mesmo diâmetro. Com o aumento da experiência na construção e operação de motores a vapor compostos, a área efetiva de baixa pressão foi então ampliada para otimizar o rendimento de energia. No caso de expansão tripla de vapor, a proporção das áreas do cilindro foi tratada em conformidade. Para o cálculo, a área do cilindro de média pressão em relação ao cilindro de baixa pressão foi tratada como se o cilindro de média pressão fosse um cilindro de alta pressão.
Expresso em números, há a seguinte proporção das áreas do cilindro ou diâmetros do pistão:
- com dois ou quatro cilindros e dupla expansão de vapor:
- Superfícies cilíndricas:
- Alta pressão: baixa pressão = 1: (2,25 ... 3)
- Diâmetro do pistão:
- Alta pressão: baixa pressão = 1: (1,5 ... 1,7)
- com três cilindros e dupla expansão de vapor (após otimização da área total do cilindro):
- Superfícies cilíndricas:
- Alta pressão: baixa pressão = 1: 2 × (1,125 ... 1,5)
- Diâmetro do pistão:
- Alta pressão: baixa pressão = 1: 2 × (1,06 ... 1,23)
- com três cilindros e expansão tripla de vapor:
- Superfícies cilíndricas:
- Alta pressão: Média pressão: Baixa pressão = 1: (2,25… 2,8): (5… 7)
- Diâmetro do pistão:
- Alta pressão: Média pressão: Baixa pressão = 1: (1,5 ... 1,7): (2,25 ... 2,7)
- com quatro cilindros e expansão tripla de vapor:
- Superfícies cilíndricas:
- Alta pressão: Média pressão: Baixa pressão = 1: (2,25 ... 2,8): 2 × (2,5 ... 3,5)
- Diâmetro do pistão:
- Alta pressão: Média pressão: Baixa pressão = 1: (1,5… 1,7): 2 × (1,59… 1,87)
O deslocamento da manivela foi escolhido de forma que as forças da manivela dos vários cilindros atuassem sobre o eixo de acionamento com aproximadamente a mesma força, nas máquinas de dois e quatro cilindros era de 90 °. No caso de máquinas de três cilindros, havia claramente uma falta de clareza sobre o deslocamento ideal da manivela; algumas máquinas foram construídas com um deslocamento de manivela de 120 °, por exemplo, B. as locomotivas da classe B 3/4 suíça . Como resultado, um torque quase uniforme e um bom balanço de massa foram alcançados. O engenheiro francês Michel Andrade recebeu a primeira patente de uma locomotiva com tal unidade motriz em 1875, mas seu projeto falhou devido a problemas mecânicos. Mas também havia construções que tinham deslocamento de manivela de 90 ° entre os cilindros de baixa pressão e 135 ° entre os cilindros de baixa pressão e alta pressão com expansão de vapor dupla, como Como locomotivas de carga da Série G de Württemberg . Havia até mesmo séries inteiras que eram idênticas, algumas com deslocamento de manivela de 120 °, outras com deslocamento de manivela de 90 ° + 2 × 135 ° e foram colocadas em serviço.
A vantagem de um melhor aproveitamento da energia é compensada por algumas desvantagens do princípio composto: por um lado, os custos de construção de vários cilindros, pistões e corrediças ou dispositivos de controle. Um problema com o encadeamento de várias unidades de expansão de tamanhos diferentes também é o regulamento. Com a mudança de casos de carga (locomotiva a vapor), é quase impossível definir de forma ideal tanto o estágio de alta pressão quanto o estágio de baixa pressão. Uma das possibilidades de influência, o controle do volume do vapor, atua sempre nas duas etapas, já que o vapor não escapa entre elas. Como regra, a influência separada dos acionamentos individuais foi dispensada para não tornar a mecânica de controle muito complexa. Dispositivos especiais também eram necessários para iniciar essa máquina a vapor.
Rede contínua, máquinas turbo
Quase toda turbina a vapor hoje é uma máquina a vapor composta. A expansão do vapor ocorre na direção longitudinal da turbina em um diâmetro graduado de pequenos diâmetros de rotor (para a pressão da caldeira) a diâmetros de rotor cada vez maiores (perto da pressão ambiente), a fim de converter as formas de energia (de energia térmica em energia mecânica ) o mais próximo possível do máximo termodinamicamente possível de alcançar.
literatura
- Erich Preuss : A ferrovia dos inventores e invenções do léxico. 1ª edição. Transpress Verlag for Transport, Berlin 1986, ISBN 3-344-00053-5 .
- Johannes Schwarze, Werner Deinert, Lothar Frase e outros: A locomotiva a vapor. Reimpressão da 2ª edição (1965). transpress Verlagsgesellschaft, Berlin 1993, ISBN 3-344-70791-4 .
- K. Bösche, K.-H Hochhaus, H. Pollem, J. Taggesell: Steamers, Diesel and Turbines - The World of Ship Engineers . Convent Verlag, Hamburg 2005, ISBN 3-934613-85-3 .
Evidência individual
- ↑ Rudolf Diesel: Teoria e construção de uma máquina de calor racional para substituir a máquina a vapor e as máquinas de combustão conhecidas hoje. Springer, Berlin, 1893, ISBN 978-3-642-64949-3 . P. 51
- ^ O. Flamm: Os sucessos os mais atrasados no comércio alemão e na construção de navios de guerra. In: Stahl und Eisen - Zeitschrift für das Deutsche Eisenhüttenwesen, Volume 17, Parte 2, 1897