A energia do vapor está no seu futuro?

Por Skip Goebel

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Issue #43 – Janeiro/Fevereiro, 1997

Se você está pensando que o vapor é antiquado, considere isto: Há quase um século, carros a vapor e navios atingiram velocidades e eficiências que ainda são difíceis de atingir, mesmo com os modernos motores de combustão interna de hoje.

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Vapor é uma das formas mais poderosas e perigosas de energia independente. É tão potente que aqui na Tiny Power, fabricantes de motores a vapor, pelo menos uma vez por semana recebemos uma chamada de alguém que vai salvar o mundo com vapor. Normalmente, leva apenas alguns minutos de conversa para revelar que o chamador precisa de mais educação no básico da engenharia a vapor.

Este artigo é uma tentativa de responder a algumas das muitas perguntas que as pessoas têm sobre vapor. E eu acho que a primeira pergunta é: pode salvar o mundo, pelo menos no que diz respeito às suas necessidades energéticas pessoais? Isso depende.

Para o investimento inicial nesta forma mais intensiva de trabalho de energia doméstica, você provavelmente poderia comprar um gerador a diesel e 5-10 mil galões de combustível, sem mudanças significativas no seu estilo de vida. Se você planeja queimar madeira, você deve saber que é uma ciência muito estabelecida para gasificar a madeira e queimá-la em um motor de combustão interna. Esta pode ser uma aplicação mais prática para você.

Se você tiver necessidade de grandes quantidades de calor controlável, digamos, para aquecer uma casa grande, galinheiro, ou mesmo um forno, as plantas a vapor se destacam em que o calor residual (escape) de um motor a vapor lhe dará quantidades excessivas de BTUs para brincar.

O que é vapor?

O que é vapor? “Água que enlouquece com o calor” é uma resposta tão boa como qualquer outra. A água se transformará em vapor no vácuo se sua temperatura mantiver 40 graus F. Inversamente, a uma pressão de 3200 libras por polegada quadrada, e a uma temperatura em torno de 720 graus, o vapor se torna “supercrítico” e na verdade tem uma densidade igual à da água. Os sistemas de vapor modernos funcionam a estas pressões porque o vapor, que é um gás “super-radiante”, absorve e desiste do calor muito mais rapidamente do que a água.

Apenas o vapor “seco” produz trabalho utilizável. O vapor é um gás seco, transparente e sem sabor. O material nublado que você pode ver saindo de uma chaleira é na verdade apenas vapor de água e não tem utilidade para as nossas necessidades porque se você pode vê-lo, todo o trabalho saiu dele.

Um dos pequenos motores a vapor de alta qualidade feitos pela empresa do autor, Tiny Power, Inc.

Apenas a água é transformada em vapor, você pode aumentar a temperatura do gás e armazenar mais energia/trabalho nele. Chamamos este vapor “superaquecido” e embora seja uma condição desejável, raramente é usado em pequenas instalações de vapor.

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O que queremos fazer com o vapor é extrair trabalho dele. O trabalho é melhor descrito como o movimento ou mudança de velocidade da massa. É preciso energia para fazer o trabalho. Dar energia a uma massa é uma coisa, e transmitir e utilizar essa energia é outra. A água, sob a forma de vapor, é um excelente meio para transmitir energia.

A água é um produto químico não orgânico prático, seguro e eficaz que absorverá e transmitirá energia prontamente. Para entender como isso acontece, tente pensar em diferenciais, ou seja, diferenças de temperatura, diferenças de pressão, ou mais especificamente, diferenças de volume. À medida que o vapor vai de um volume para outro, o trabalho é feito. Um exemplo disso é um pistão descendo em um cilindro criando mais espaço ou volume (expansão). medida que ocorrem mudanças volumétricas, mudanças de temperatura e pressão também devem ocorrer. Estas são leis da natureza que você não pode alterar. Nós temos unidades para medir as propriedades da massa. Geralmente, a pressão é medida em libras por polegada quadrada, o volume em pés cúbicos, e a temperatura em graus Fahrenheit. (Eu ainda não sou métrico, pessoal.)

Neste ponto, deixe-me apresentar-lhe a unidade térmica britânica (Btu). É a unidade de medida dos Estados Unidos, que é semelhante à caloria do sistema métrico. Não é nada mais que uma unidade de calor. Uma Btu é a quantidade de calor necessária para elevar um quilo de água a um grau Fahrenheit. Por outro lado, se um quilo de água cai um grau, libera um Btu.

Quando qualquer combustível é queimado, ele emite energia sob a forma de calor, e esse calor pode ser medido tanto em Btu’s quanto em calorias. Vamos usar Btu’s. Um exemplo é a madeira de carvalho, que tem 6-11 mil Btu’s por quilo. Considere-a como energia potencial ou energia à espera de acontecer. Quando oxidada (queimada), ela libera energia, e se fizermos vapor com essa energia, podemos usar o vapor para transmitir essa energia em outro lugar para fazer um trabalho útil.

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Lançamento do Vapor Santa Cruz II, Echo Lake, California

Outras fontes de Btu’s podem ser uma fonte quente ou solar. Lembre-se, o que procuramos é uma diferença de temperatura; quanto mais alta for a temperatura da água, mais trabalho podemos obter fora da água. Infelizmente, quanto menor for a diferença de temperatura, maior deve ser o volume de água. Por exemplo, um quilo de vapor a 800 graus tem uma certa quantidade de trabalho; para produzir a mesma quantidade de trabalho a 400 graus, é preciso uma quantidade de água muito maior.

Então, tomamos um quilo de água de 60 a 212 graus e são necessários 152 Btu’s. (212 – 60 = 152) Agora adicionamos mais um Btu e tudo se transforma em vapor à pressão atmosférica. Certo? Errado!

Aumentar a temperatura da água é fácil; mudar a água para vapor é um jogo de bola. É preciso muita energia para mudar o estado físico da matéria. Lembre-se, não é desperdiçado aqui, mas sim armazenado.

Para converter um quilo de água de 212 graus de água para 212 graus de vapor (ainda um quilo por peso) à pressão atmosférica são necessários outros 970 Btu’s. Se contivermos tudo isso, como em uma caldeira, obtemos um diferencial de pressão (dentro vs. fora). Essa libra de água, a 212 graus, tinha ocupado apenas 0,2 pés cúbicos. O vapor a 212 graus e à pressão atmosférica (ou 14,7 lbs. por polegada quadrada) ocupará 27 pés cúbicos.

Agora, se não for permitido que esse vapor se expanda para esses volumes porque está contido, obtemos um aumento de pressão. É esta pressão que vamos usar para fazer o nosso trabalho.

Que tipo de caldeira?

O recipiente em que vamos fazer o nosso vapor chama-se caldeira. Existem basicamente três tipos de caldeiras.

A caldeira de Tubo de Fogo. Esta é a mais antiga, a mais simples, e a que cria a produção de vapor mais estelar. É também a mais perigosa (tende a explodir). Portanto, nada mais sobre esta. Esqueça, nada, de jeito nenhum, etc. Cola este autocolante no teu cérebro: Há um adesivo de dinamite num galão de água.

O Tubo de Água. Isto é mais eficiente, mais seguro, comum, fácil de construir, etc. Basicamente, o design incorpora uma série de tubos que se originam de um tambor e rodeiam a câmara de combustão (firebox). O vapor é então retirado da parte superior do tambor onde é encaminhado para o seu uso pretendido por um tubo. (Ver figura 1.)

Figure 1. Caldeira de tubos de água

Um exemplo comum destes tipos é uma caldeira de aquecimento doméstico. Grandes navios e centrais eléctricas também utilizam estes desenhos. Temos uma no nosso barco a vapor 23′ que queima madeira, e funciona bastante bem. Deixe-me interjectar aqui que se você queimar combustível sólido (madeira ou carvão), você vai atender a sua caldeira a qualquer momento. Se não puder, basta largar a ideia toda. Se puder, esteja preparado para a felicidade perpétua.

O esquema básico é como ilustrado na figura. Não, de forma alguma, use esta ilustração para desenhar a sua própria caldeira. Se você teve que se educar lendo este artigo, você não pode, não vai, e não deve construir uma destas. Lembre-se, a morte é final (e dolorosa).

Existem inúmeros planos disponíveis que são aprovados, certificados, e bem testados. O vapor é definitivamente uma ciência ‘finalizada’. Se você olhar nas páginas amarelas, você encontrará caldeireiros certificados que farão o trabalho certo. Tecnicamente, você está infringindo a lei ao construir uma caldeira não certificada.

Monotube ou caldeiras flash. Esta é de longe a caldeira mais eficiente, mais leve e mais segura. É fácil e barata de construir. Eles funcionam melhor em operação contínua e estável. No entanto, com pouca capacidade de reserva, são sensíveis a flutuações no abastecimento de combustível e água, para não mencionar as cargas. As versões mais comuns são as de limpeza a vapor portáteis. Os motéis modernos usam uma variação como aquecedores de água.

Um barco a vapor maior

Basicamente, consistem numa bobina contínua de tubos ou tubagem em várias configurações. Daí o nome “Monotubo”. Se pudermos fornecer um controlo rigoroso do nosso abastecimento de combustível/água, então temos a caldeira de potência ideal para casa. Os combustíveis tipo gás e líquido são o tipo ideal de combustível para monotubos porque são fáceis de regular. E sim, existem projetos aprovados para monotubos, e um profissional pode construí-los a baixo custo.

Fatos de combustão

Uma dada quantidade de combustível precisa de uma dada quantidade de ar para queimar não mais e não menos. Também precisa da quantidade certa de espaço para queimar. Não há ar suficiente e a combustão é incompleta. Muito ar e você está aquecendo o ar.

Também, se fizermos o ar satisfazer o combustível muito rapidamente, ficamos com uma chama muito quente. Isso é mau porque a temperaturas superiores a 1800 graus, o nitrogénio no ar e alguns outros químicos começam a oxidar. Não só é venenoso, como é energia desperdiçada.

O espaço de combustão é importante porque é muito pouco e nós extinguimos a chama. Segure uma vela acesa para que a chama toque um cubo de gelo e se você olhar bem perto, há uma camada invisível de gás isolando a chama da superfície. Essa camada é de gases não queimados como monóxido de carbono e é causada porque a temperatura da superfície estava abaixo da temperatura de ignição dos gases queimáveis. A regra é: A chama não deve tocar no metal.

Também, demasiado espaço e podemos perder os nossos coeficientes de radiação. Em geral, uma caldeira recebe 60-70% de transferência de energia da energia radiante, em vez de gases quentes.

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Trator de vapor de meia escala

A idéia aqui é unir suavemente ar e combustível e dar-lhe muito espaço ou tempo para fazer a sua coisa. Existem fórmulas definidas para todos estes factores, e o seu construtor de caldeiras saberá o que fazer quando lhe disser quais são as suas necessidades.

Binário enorme

Agora que temos o nosso vapor, vamos usá-lo. Extraímos o trabalho do vapor permitindo que ele se expanda em um ambiente controlado, como com um pistão em um cilindro ou um bico em uma turbina.

Turbinas são boas, e eu mesmo tenho uma, mas em tamanhos de escala doméstica, elas são muito ineficientes. É apenas uma questão de física e de custos. Eu sei que há muita gente lá fora que vai discutir este ponto, mas se eles conseguirem arranjar uma turbina doméstica eficiente e vendê-la a um custo razoável, eu vou comprá-la.

Então, estamos presos com o motor de pistão (alternativo). Tenha bom ânimo. Eles funcionam, duram, e já existem há muito tempo. Os motores a vapor são silenciosos, pesados, duradouros e, se modernos, fáceis de manter (nossos modelos maiores usam rolamentos de esferas vedados).

Você pode encontrar muitos motores usados em estaleiros antigos, refinarias, fábricas antigas, minas e ferrovias. Ou você pode comprar um novo.

Motores a vapor semelhantes a um cilindro hidráulico de ação rápida com uma válvula automática. O carneiro é ligado a uma manivela que gira e dá trabalho útil. É importante notar que a maioria dos motores a vapor são projetados para levar vapor em ambos os lados do pistão, o que o torna um motor “single-stroke”. Isso também faz com que os motores a pistão produzam enorme torque a quase todas as rotações por minuto. Você pode calcular esse torque tomando a polegada quadrada do pistão, multiplicando-o pela pressão média do cilindro, e multiplicando esse valor pelo comprimento do curso medido em pés dividido por 2. Um exemplo seria: Um motor de cilindro simples tem um diâmetro de 3 polegadas e um curso de 4 polegadas e funciona a 100 lbs de pressão média do cilindro ou “média”. Um pistão de três polegadas tem aproximadamente 7 polegadas quadradas (3 x 3 x .7854) e um curso de 0,33 pés. (4/12). 7 x .33 = 2.31. Vezes que por 100 libras de pressão x 2,31 = 231 e divide isso por 2, e você recebe 115,5 libras de torque. Na realidade, porém, há perdas por atrito e eficiência.

As eficiências são medidas pela quantidade de vapor/água que um motor consome para fazer uma determinada quantidade de trabalho. Isto é normalmente medido em libras de vapor/água por cavalo-hora de potência. Em inglês, isso significa que para cada cavalo-vapor produzido durante uma hora, uma certa quantidade de vapor/água passará pelo motor.

Nossa unidade de oficina tem sido utilizada nos últimos 18 anos produzindo 4000 watts por hora. Ela consome cerca de 250 libras de água (que foi transformada em vapor) em uma hora. 750 watts é considerado uma potência, e quando se calcula a perda de eficiência, isso resulta em cerca de 47 libras por hora de potência (250 libras dividido por cerca de 5,3 cavalos de potência). Dito de outra forma, para cada cavalo-vapor produzido pelo motor, evaporamos 47 libras de água para o vapor e passamos através do motor.

Existem motores que são muito mais eficientes, mas que custam muito mais do que você quer pagar. Eficiência é bom, mas se o combustível é grátis, por que você deve se importar? Porque quanto menos lenha queimar, menos terá de cortar. Eu usei tanto quanto um fio de madeira em 10 dias, e para mim isso é muito trabalho.

Tudo isso nos leva de volta à questão de por que vapor vs. outras formas de energia independente? Porque, se você tem um uso para grandes quantidades de calor, o escape do motor lhe dará exatamente isso.

Os motores e caldeiras de vapor são normalmente mais eficientes em configurações completas, todas as válvulas abertas, fogo completo, etc… de modo que nos leva ao próximo assunto:

AC vs. DC

Em uma configuração doméstica, a eletricidade é a forma mais comum de energia. Portanto, um motor/gerador a vapor prova ser a aplicação mais prática.

Geradores ou são A.C. ou D.C. e ambos têm as suas aplicações. Na loja da Tiny Power, o nosso Winco de 4kw é A.C. Infelizmente, A.C. requer controlos de velocidade precisos na forma de um regulador delicado e um volante pesado. Eu sugeriria que a maioria das pessoas usasse D.C. em vez disso. D.C. é mais fácil de fazer, controlar, e o mais importante, você pode armazená-lo. Ao fazer eletricidade em DC e armazená-la, o sistema de vapor pode funcionar na capacidade máxima por um curto período (mais eficiente) em vez de ocioso durante todo o dia (ineficiente). É prático porque você pode fazer sua eletricidade mais cedo, e depois começar a trabalhar no seu negócio.

Este barco a vapor, com a sua típica central eléctrica,
foi usado no filme Maverick

Geri uma central eléctrica a vapor de 1kw D.C. como atracção turística aqui em Branson, Missouri, durante algum tempo e apaixonei-me por alta voltagem D.C. O sistema funcionava com luzes e motores a 120 volts. A única desvantagem é que D.C. é difícil nos contactos e interruptores. Você tem que comprar aqueles interruptores e disjuntores caros que são classificados para D.C.

Vapor para potência doméstica

Tiny Power tem 13 modelos diferentes de motores mais acessórios, e nós fornecemos principalmente para os amadores, tais como maquinistas reformados e barcos a vapor em todo o mundo. No entanto, o nosso coração ainda anseia pela auto-suficiência.

Eu próprio estou no processo de iniciar outra empresa dedicada ao vapor como potência doméstica. Eu não vou colocá-lo no mercado até que o sistema seja infalível, eficiente e acessível.

O desenho seguinte mostrará um conceito prático de um sistema gerador de vapor à escala doméstica. Não é um projeto real e eu não assumo nenhuma responsabilidade por qualquer um que o utilize como tal. Para aquelas pessoas que pensam que vão usar o seu bosque para fazer vapor, por favor, faça o seguinte: coloque-me no seu testamento, envie as crianças para viver com a avó, dê um aviso justo aos vizinhos, e pague a sua propriedade à beira-mar no Arizona.

Deixe-nos começar com as necessidades. Nossa casa vai precisar de 2400 watt/hora de eletricidade por dia. Como só recebemos 75% de uma bateria do que colocamos nela, precisamos colocar em 3200 watt/hora (2400 / .75 = 3200). Mesmo que 750 watts = 1 cavalo-vapor, há ineficiências em geradores, correias, etc. Um valor seguro é uma perda de 30%, portanto 3200 watts acima de 70% de eficiência = 4266 watts (3200 / .70 = 4571). Arredondar até 4600. Nossa potência necessária então é 4600 watt/hora dividida por 750, que é 6,1 cavalos (4600 / 750 = 6,1).

Usando 47 lbs de vapor por hora de potência a ser consumida pelo nosso motor, nós tomamos os 6.1 e multiplicá-lo por 47 e obtemos 286,7 ou basicamente 287 libras de vapor/água é necessário.

Diremos que serão necessários 1200 Btu’s por libra de água/vapor para transformar a água em vapor à nossa pressão de trabalho de 120 psi. Então, 287 libras de vapor/água x 1200 Btu’s = 344.400 Btu’s são necessários (287 x 1200).

A nossa caldeira é 70% eficiente, então 344.400 Btu’s dividido por 70% nos dá o número de 492.000 Btu’s realmente necessários (344.400 / .70 = 492.000).

A nossa madeira contém um valor de calor de 7.000 Btu’s por libra, então precisamos de 70,3 libras de madeira (492.000 / 7.000 = 70,3). Vamos espalhar a carga por duas horas, e podemos ver que vamos queimar 35,2 libras de madeira por hora (70,3 / 2 = 35,2), ou cerca de 35 libras. Para colocar isso em perspectiva, isso é uma carga pesada de madeira.

Remmbrar, estas são figuras do “mundo real” e são dramaticamente diferentes do que algumas mãos cor-de-rosa do tipo “educado” irão aparecer.

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Se você seguir a ilustração da Figura 2, observe a direção do fluxo de combustível e água. Este é um projeto monotubo e usará bombas elétricas e sopradores, dando fácil controle.

Queimará gás de madeira de “digestores” que aquecem a madeira até a temperatura de ignição, mas a fazem passar fome de oxigênio. Este gás não queimado é então misturado com ar aquecido e queimado na base da caldeira. Os gases de combustão passam sobre os tubos de água e depois sobre o aquecedor de ar e sobre a pilha de exaustão.

A água entrará na serpentina exterior, apanhará calor, entrará no permutador de calor (desuperheater) e entrará no separador. O vapor sairá pela parte superior do separador e entrará na serpentina interna que funciona como um sobreaquecedor. O vapor excessivamente quente passará através do desuperheater, liberando alguns Btu’s para a água de entrada. O vapor agora “temperado” irá em direção ao motor, onde fará o seu trabalho. O escape do motor irá para uma bobina que está dentro do grande tanque e liberará o calor restante na água. Tendo feito isso, nosso vapor terá condensado na água e é forçado através de uma bomba de vácuo que escoa para a “hotwell”. A partir deste ponto, é bombeado de volta para a caldeira através de uma bomba de alimentação de alta pressão para recomeçar tudo de novo.

Encontrar a formação

Não consigo enfatizar o suficiente a importância de ser educado antes de fazer o funil. As grandes serrações têm normalmente uma central eléctrica e os engenheiros são pessoas simpáticas que querem sempre mostrar o seu “bebé”. Passeie por navios antigos ou refinarias, e não tenha medo de fazer perguntas. Você receberá mais de alguém se você fizer perguntas do que se você tentar dizer o que você sabe.

A educação final é assistir a um show do clube a vapor. Há literalmente milhares todos os anos. As chances são que você está a menos de uma hora de carro de um. Certifica-te que trazes as crianças. Os espectáculos são definitivamente um assunto de família. Qualquer loja de hobbies deve ser capaz de lhe dizer onde um está na área.

Também, confira as várias publicações disponíveis. Há várias revistas sobre motores a vapor. Todas têm uma grande secção de anúncios classificados. Recomendamos fortemente uma chamada The Steam Show Directory listando mais de 500 steam shows neste país e no Canadá.

Bem-vindos à fraternidade.

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Para leitura posterior

Live Steam
P.O. Box 629
Traverse City, MI 49685
(Motores a vapor de todos os tipos, também na Web)

Model Engineer
4314 W. 238th St.
Torrance, CA 90505
(Premier modelo fazendo revista, cobre também motores a vapor de brinquedo)

Modeltec
P.O. Box 1226
St. Cloud, MN 56302
(Todos os tipos de modelos de trabalho-vapor, motores a gás, ar quente, etc.)

Navegação a vapor
Rt. 1, Box 262
Middlebourne, WV 26149
(Para o conhecedor de barcos a vapor, todos os tamanhos, grande leitura!)

Iron Men Album
P.O. Box 328
Lancaster, PA 17608
(Tractores de vapor antigos e motores estacionários, classificados grandes)

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Engenheiros & Motores
1118 N. Raynor Ave.
Joliet, IL 60435
(Carregado com motores e máquinas antigas, classificados grandes)

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Vapor &Anuário de shows de gás
P.O. Box 328
Lancaster, PA 17603
(Listas de todos os shows no Canadá e EUA. Este é um ‘must have’)