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O renascimento da máquina a vapor

O renascimento da máquina a vapor


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Por Mario Ogara e Jorge Schneebeli

O INTI está trabalhando no desenvolvimento de uma máquina a vapor. Muitos são os resíduos de biomassa que são eliminados por meio de sistemas de combustão a céu aberto sem nenhum tipo de aproveitamento energético.


O INTI está trabalhando no desenvolvimento de uma máquina a vapor que forneça energia elétrica ou mecânica às regiões mais isoladas do país. Este projeto retoma o legado científico e tecnológico do Ing. Livio Dante Porta. Quando o conhecimento sobre a máquina a vapor foi considerado esgotado e este brilhante desenvolvimento tecnológico que foi praticamente o coração da revolução industrial parecia ter ficado preso no século passado, uma equipe multidisciplinar de pesquisadores trouxe à luz essa velha tecnologia para dar uma resposta a um demanda muito atual: a falta de energia elétrica nas áreas mais remotas do território nacional.

O engenheiro argentino Livio Dante Porta (1922-2003) foi o maior pesquisador da tecnologia do vapor de nosso país. Discípulo e amigo de André Chapelon - chamado de "gênio do vapor francês" - Porta trabalhou ao longo de sua vida para demonstrar que a locomotiva a vapor ainda estava longe de atingir seu pleno potencial. Esses avanços foram retomados por uma equipe de profissionais do Instituto para dar continuidade ao longo do tempo. Surge assim este empreendimento cujo objetivo é a construção de uma máquina a vapor fixa que possa ser transferida para fornecer energia elétrica ou mecânica às zonas mais remotas do país e, paralelamente, apresentar uma proposta ambiental e sustentável para o reaproveitamento dos resíduos gerados pela atividade florestal industrial. O projeto, do qual participam conjuntamente os centros de Energia e Mecânica do INTI com a Faculdade de Engenharia da Universidade de Buenos Aires (FIUBA), retoma as contribuições de Porta realizadas durante cinquenta anos de pesquisas no campo da tecnologia do vapor.


Proposta

O projeto é baseado em dois pilares: aproveitamento de resíduos florestais industriais e fornecimento de energia elétrica para locais isolados. Muitos são os resíduos de biomassa que são eliminados por meio de sistemas de combustão a céu aberto sem nenhum tipo de aproveitamento energético. Isso constitui um perigo e um problema ambiental em todas as áreas florestais do país, como é o caso da área do Vale do Calamuchita ou da região Norte, onde a silvicultura é muito importante e produz grande quantidade de resíduos de biomassa, como serragem, aparas e costaneros, entre outros. Conseqüentemente, seu reaproveitamento pode reduzir as emissões prejudiciais decorrentes das queimadas descontroladas no local e prevenir possíveis incêndios florestais. Ao mesmo tempo, hoje existe um grave problema de abastecimento de energia elétrica nos locais onde a rede não chega, onde, por exemplo, a pequena indústria necessita de energia mecânica ou elétrica para operar as máquinas e não tem a possibilidade de acessando-o.

Dessa forma, surgiu a necessidade de reaproveitar um resíduo de biomassa - como a serragem - e a necessidade de encontrar uma alternativa energética para regiões industriais ou populações aposentadas. Propõe-se então a utilização deste combustível primário para gerar vapor e com ele operar uma máquina alternativa, cuja tecnologia é ideal para a energia elétrica necessária, dado seu grau de confiabilidade, robustez e facilidade de manuseio em um ambiente hostil e isolado. Um aspecto positivo desse desenvolvimento é que os novos avanços tecnológicos feitos nos últimos anos são aplicados a uma tecnologia antiga. Isto permite aumentar de forma notável a eficiência do motor, onde podem ser utilizados diferentes tipos de combustíveis, dependendo do que vai ser queimado na caldeira. É importante destacar que todos os avanços que Porta fez com seus colaboradores no campo da tecnologia a vapor para tração ferroviária são aplicados neste desenvolvimento.

Esta iniciativa tem duas fases distintas. A primeira, já concluída, tinha como objetivo o desenvolvimento da engenharia básica dos componentes críticos de uma alternativa máquina a vapor de duplo efeito e expansão monofásica, de baixa potência, e uma caldeira de fumaça tubular do tipo locomotiva a vapor. ( ciclo aberto), a ser integrado à usina em um espaço de aproximadamente 11 metros de comprimento por 3 metros de largura e 2,75 metros de altura, utilizando resíduos de biomassa de diversos processos. Esta fase inicial foi realizada através do trabalho conjunto do INTI e da FIUBA. Para isso, contou-se com uma equipe de trabalho formada por quatro alunos da universidade que foram orientados pelo Eng. Shaun Mc Mahon, discípulo de Porta e membro dos Centros de Energia e Mecânica do INTI. A participação na concepção deste motor permitiu aos alunos a realização do seu projeto de conclusão de curso: dois deles receberam bolsa integral do Instituto e outro, já contratado, dedica-se a tempo inteiro a este projeto.

A segunda fase do trabalho está em andamento e consiste no desenvolvimento da engenharia de detalhamento dos componentes, para construção e teste deste protótipo. Estima-se que em menos de um ano estará operacional.


Componentes do trem de força

A máquina a vapor possui sistema de combustão, alimentação de combustível e ar primário e secundário; bem como gerador de vapor, superaquecedor, caixa de fumaça e tiragem induzida. Possui também motor a vapor alternativo, válvula de distribuição associada, sistema de regulação e controle e sistema de lubrificação; armazenamento de água e combustível.

Como a energia elétrica é produzida por meio da biomassa?

A geração de energia elétrica a partir de um combustível de biomassa envolve passar por diferentes etapas. O primeiro consiste na combustão de resíduos de biomassa. Como produto dessa combustão, o calor é liberado, parte dele sendo absorvido por um fluido intermediário, que neste caso é uma mistura de água e vapor d'água. Este fluido é responsável por transferir a energia térmica obtida na forma de calor da combustão, para uma máquina que a transformará em energia mecânica. Nesse estágio, o vapor d'água se expande em um cilindro e empurra um pistão. Assim, a rotação contínua do eixo do motor é obtida por meio do mecanismo biela-manivela, que ao movimentar um gerador dá origem a energia elétrica ...

As vantagens de recuperar a máquina a vapor

A planta é projetada para entrar em um contêiner e assim ser transportada - com certas restrições - a todas as regiões que dela necessitem, independentemente das distâncias e condições geográficas. O uso dessa tecnologia de vapor também representa uma alternativa para a crise mundial do petróleo. A previsão é que o primeiro protótipo, depois de passar pela etapa de avaliação, seja instalado na província de Tierra del Fuego, pois ali existe uma demanda específica para o volume de resíduos gerados por ano pela indústria florestal, mas é esperado para replicar a experiência em todo o país.

Este primeiro protótipo será de fácil manuseio e espera-se que quem o utiliza consiga realizar a manutenção do equipamento sem possuir grande conhecimento técnico - como faziam os maquinistas dos trens a vapor. Outro ponto relevante deste projeto é que todas as peças podem ser construídas a nível nacional. As máquinas que muitas lojas locais possuem (oficinas de máquinas e oficinas de usinagem de peças) são adequadas para esta tarefa, pois são peças muito simples. A virtude desse desenvolvimento reside no fato de que tanto sua origem quanto sua continuação subsequente são inteiramente nacionais.

Antecedentes que inspiraram o design do motor

Para o projeto desse motor, foram consideradas tecnologias desenvolvidas pelo engenheiro Porta, como o sistema de combustão de gaseificação (GPCS). Este sistema é baseado em duas etapas. Na primeira fase, os gases são produzidos a partir de combustíveis sólidos por meio de combustão incompleta, e na segunda fase os produtos da gaseificação são queimados, permitindo uma combustão praticamente completa e altamente eficiente, com baixíssimo nível de emissões poluentes.

Também foi retomado o avançado tratamento de água para caldeiras de ciclo aberto (“Porta Treatment”), que consiste em adicionar à água de alimentação certos reagentes comuns, de baixo custo e aceitáveis ​​do ponto de vista da preservação do meio ambiente. Desta forma, consegue-se um funcionamento óptimo da caldeira, quaisquer que sejam as características da água de alimentação, eliminando os problemas associados à incrustação, formação de espuma, corrosão e fragilidade cáustica, e espaçando as lavagens da caldeira. Da mesma forma, foi levado em consideração o projeto de um ejetor de alta eficiência (Lempor), dispositivo cuja importância reside no fato de induzir uma alta velocidade de entrada do ar secundário na câmara de combustão, criando condições de alta turbulência e atingindo altas eficiência de combustão e, conseqüentemente, maior produção de vapor.

Por fim, outros estudos foram incluídos, como o projeto avançado dos dutos de vapor e passagens internas para reduzir as perdas de carga, melhorar o escoamento do vapor pelos dutos e reduzir as perdas de potência no motor; a análise avançada da tribologia e lubrificação do motor, que consiste em realizar um estudo aprofundado dos fenômenos que nele ocorrem; e a aplicação de isolamento térmico avançado, tanto na caldeira quanto no motor, visando minimizar as perdas de energia e otimizar o funcionamento do equipamento. Partindo destes elementos, foi realizado um dimensionamento preliminar da montagem e a seguir desenvolvidos os cálculos termodinâmicos da caldeira e do motor.

Porta, o homem que sonhava com trens

Livio Dante Porta foi um promotor da tecnologia a vapor ao longo do século 20 e realizou numerosos estudos e pesquisas para mostrar que a máquina a vapor ainda tinha muito a dar a conhecer. Porta foi um lendário designer de locomotivas e trabalhou continuamente nelas até os 81 anos. Suas primeiras obras foram realizadas no país, como a locomotiva a vapor denominada “La Argentina”, pertencente à Ferrovia Central de Córdoba, da classe 4-8-0 de 4 cilindros com dupla expansão. Construída em 1949, quando Porta tinha apenas 27 anos, foi considerada uma das locomotivas mais eficientes já construídas e foi vigorosamente patrocinada por Juan Perón, então presidente do país. Seu desempenho foi superior ao esperado para uma locomotiva relativamente pequena. Projetado para uma velocidade máxima de 120 km / h, puxou trens de carga de 1.200 toneladas a 105 km / h. "La Argentina" está enferrujada em um depósito de locomotivas abandonado em San Miguel de Tucumán.

O espírito inquieto de Porta o levou a viajar pelo mundo, buscando aperfeiçoar seus conhecimentos: Estados Unidos, Inglaterra e Cuba foram apenas alguns de seus destinos. Entre as décadas de 60 e 80 fez parte do INTI como Chefe do Departamento de Termodinâmica (hoje Centro de Energia). Ao longo de sua carreira, Porta se encarregou de transmitir seus conhecimentos para outros estudiosos do assunto, um deles é o engenheiro Shaun Mc Mahon que atualmente faz parte do INTI e é referência na área de tecnologia a vapor.

Porta faleceu em 10 de junho de 2003, mas sua família estava preocupada em manter seu sonho em vigor: que o Estado se encarregasse de retomar seu trabalho para lhe dar utilidade e continuidade no tempo.

Mario ogara, INTI-Energia e Jorge Schneebeli, INTI-Mecánica - Publicação do Know How INTI


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Comentários:

  1. Elliston

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