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Construção de uma caldeira a vapor, e o seu motor.

    Uma caldeira a vapor não é mais do que um sistema que transforma a água de estado líquido para o estado gasoso, ganhando energia sob a forma de pressão que será depois aproveitada para fazer movimentar um motor, ou outro dispositivo de acordo com o fim a que se destina.

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        Para se fazer uma caldeira primeiro é necessário pensar qual vai ser a sua aplicação.

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    É um sonho meu já muito antigo, a construção de uma locomotiva a vapor. Digamos que este sonho vem já desde rapazote de 13 anos de idade quando eu vivia junto da estação de caminho de ferro da Funcheira no Baixo Alentejo onde o meu Pai trabalhava como chefe de Distrito de via e obras da C.P.. Nessa altura era-me impossível uma tal construção. Mesmo assim cheguei a fazer uma caldeira em tubo de aço aproveitado dos tubulares de uma velha caldeira grande. Com poucas ferramentas lá fui chateando o pessoal da C.P. para me fazerem as necessárias soldaduras com a máquina de electrogéneo, e aquilo chegou a fazer vapor. É claro que não dava rendimento e era difícil acender, alem de ter poucos acessórios "um vidro nível e pouco mais". 

    Agora aos 59 anos de idade voltei à meninice e resolvi dar andamento ao velho projecto depois de ter um mini laboratório razoavelmente apetrechado.

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    Algumas normas de segurança importantes para se construir uma caldeira:

1- A válvula de segurança tem que ter capacidade para descarregar todo o vapor que a cadeira produz quando está no seu máximo rendimento.

2. Tem que ter sistemas de alimentação de água capazes de fornecer água com caudal/velocidade suficientes de forma a não deixar queimar a caixa de fogo ou o tubular.

3- A grelha tem que ter uma abertura amovível de forma a deitar abaixo o fogo caso os sistemas de abastecimento de água avariem inesperadamente.   

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    Um dia ao passar por um sucateiro de material electrónico vi lá 3 bocados de chapa de cobre de 1,5mm de espessura e comprei-as por uma bagatela com a ideia de construir uma caldeira a vapor, e assim aconteceu. 

      Feitos os cálculos comparativos com as caldeiras das pequenas locomotivas publicadas nas revistas Inglesas no que respeita á espessura da chapa, verifiquei que deveria ser um pouco mais espessa, mas o problema foi ultrapassado reforçando as zonas onde a caldeira é plana, porque é nessas zonas onde ela é mais frágil ás forças da pressão interior. Assim nestas zonas a chapa ficou com 3mm de espessura.  

      Contas feitas e mãos á obra, peguei  numa calandra e comecei por enrolar a chapa de forma a ficar cilíndrica com as medidas mais ou menos pensadas, para fazer uma caldeira horizontal semelhante à das antigas locomotivas da C.P.. Para fazer a parte das caixas de fogo e de fumo também foi utilizada a calandra. 

       Para fazer as tampas da frente e de traz foi feito um molde macho e fêmea para moldar á pressão da  prensa hidráulica, e de forma a que as peças pudessem ficar com o aspecto duma tampa de caixa de pomada para sapatos. É evidente que a medida exterior das tampas teve que ficar de forma a entrar á pressão no topo interior do cilindro já feito e com a sua costura reforçada e soldada a prata. 

       O tubular foi feito em tubo de cobre de 10mm interior e também soldado a prata. O espaço entre a chapa interior da caixa de fogo e chapa exterior da caldeira foi escorada com parafusos de latão e com espaçadores também de latão que por sua vez também foi tudo soldado a prata. Aqui nestas soldaduras é que surgiram alguns berbicachos especialmente na parte de dentro na zona que fica destinada ao fogo. Aí devido ao pouco espaço o maçarico tem mais dificuldade em trabalhar por falta de oxigénio. 

        A chapa contrai-se ao arrefecer provocando por vezes o estalar de algumas soldaduras, que tiveram que ser refeitas com mais cuidado. O cobre como é bom condutor de calor, em certas zonas mais centrais da caldeira, para fazer as soldaduras tive que proteger tudo do frio exterior com tijolos refractários e aquecer globalmente a caldeira com outro maçarico de boca mais larga de forma a facilitar o trabalho ao maçarico soldador.

        Depois de tudo fechado fui encher de água. Para meu descontentamento apareceram algumas fugas francas, mesmo sem pressão. Lá teve que ser tudo soldado de novo. Mas ainda mais descontente fiquei foi quando lhe meti pressão mesmo pouca outras fugas apareceram. A mesma operação teve que ser feita várias vezes chegando até a dar para esmorecer. Depois estava na hora de fazer a prova hidráulica, mas primeiro experimentei a enche-la com dois quilos de pressão de ar e observar as deformações em várias zonas mais críticas. 

        Tudo normal, há que subir a pressão por aí a cima e com muita precaução fui subsequentemente observando se havia deformações até chegar a 5kgs/cm2. Entretanto fiz uma bomba de água do tipo de pistão movido manualmente por alavanca com destino a ser a bomba de emergência para alimentação de água da caldeira, e servi-me dela para elevar a pressão com água até aos 11kgs/cm2 "com paragens pelo meio, para analises " e aí numa zona plana por cima da porta da fornalha começou a aparecer uma muito pequena curvatura, tudo o resto estava normal. Ficou assim determinada a pressão de teste. Geralmente o cobre como é macio começa a deformar-se antes de rebentar. Como norma, a pressão de trabalho tem que ser metade, ou menos de metade.

     Assim depois de algumas dezenas de horas de trabalho de estudo, e prático aí está ela fumegar e a subir a pressão até ao seu máximo de 5.5kgs/cm2 que é o permitido pela sua válvula de segurança. Como norma foi feito um teste hidráulico até aos 11kgs/cm2 para garantir a sua segurança aos 5.5kgs/cm2. Vaporiza muito bem. Em 5 minutos a pressão começa a subir, utilizando tiragem forçada com aspirador eléctrico, mas após ter cerca de 1 quilo de pressão o aspirador pode ser retirado e ela por si própria começa a subir a pressão com a ajuda do seu próprio despertador "jacto de vapor saindo pela chaminé" até atingir os 5.5kgs/cm2. "A capacidade de produção de vapor é de tal forma superior ao consumo do despertador que ela dispara a subir progressivamente  atingindo em poucos minutos a pressão da válvula de segurança". Desde o acendimento até esta altura não se passam mais de 20 minutos. 

    Válvulas, válvulinhas, um vidro de nível e um apito foram entretanto feitos. Quando se abre a válvula do apito a pressão desce umas 100gramas/cm2 mantendo-se assim, e logo que se larga o apito ela recupera instantaneamente. Já consumiu mais do que 50 litros de água e cerca de 30kg de carvão de pedra, e tem mais de 50 horas de trabalho a produzir vapor. Quando se abre mais o despertador de vapor com a porta da fornalha também aberta pode ver-se através desta, a grande velocidade dos gases quentes "a serem aspirados pelo despertador situado na chaminé " passarem pelos tubos que compõem o tubular, com destino á caixa de fumo e chaminé, transferindo assim o seu calor para a água que está á volta destes tubos. 

       Agora estou a construir os injectores de alimentação de água. Leva dois, um rápido e outro lento que também já funcionam mas ainda está a ser feita a canalização definitiva.

Algumas dicas sobre o funcionamento dos injectores:

 Os injectores são talvez os acessórios mais críticos de fazer dos que estão incorporados numa caldeira a vapor. Repare-se porquê: um injector recebe pressão de vapor por um lado, aspira água por outro e vai ter que entregar tudo misturado de novo á caldeira que tem a mesma pressão que entrou no injector. Como é que diabo isto é  possível? Então se tem pressão de vapor dum lado, pressão de vapor do outro, e como é que consegue aspirar água pela entrada de água para depois meter tudo na caldeira? É possível de uma maneira um tanto ou quanto simples de explicar, mas difícil de construir na prática.

    O vapor entra no injector passando primeiro por um cone convergente, "cone(a)" o que faz com que ele diminua  de pressão mas aumente de velocidade. Logo a seguir encontra outro cone convergente "cones (b) e (b')" mas entretanto aspirou água pelo espaço entre os dois cones "numa entrada própria como é de esperar". Acontece que o vapor ao encontrar a água bem fria se condensa também em água e reduz o seu volume, seguindo agora quase já só água para frente aumentando ainda mais a sua velocidade ao passar por este segundo cone. Repare-se que o volume da água neste ponto é inferior ao volume do vapor que entrou. Em seguida encontra um terceiro cone mas este agora é divergente o que faz com que a água diminua bastante de velocidade mas aumente fortemente a pressão, para uma pressão superior á da caldeira. 

     A primeira coisa que se tem que fazer para que tudo isto arranque é abrir a água, e só depois o vapor. Mas tudo isto só é possível arrancar porque depois do injector existe uma válvula de sentido único " check valve" que permite que o tubo desde a saída do injector até à válvula esteja sem pressão no inicio do funcionamento do sistema. Repare-se que entre os cones (b) e (b') existe uma válvula de esfera para no início quando se abre a água esta se escapar mais livremente para fora pelo tubo de overflow até que se abre o vapor. Quando o vapor chega tem que encontrar os cones cheios de água para que a condensação comece de imediato e o sistema não aqueça rapidamente. 

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Na foto que se segue pode ser visto o injector real que está representado no esboço anterior. Tenha em atenção que na foto o lado da saída de água para a caldeira está do lado contrário do esboço. Pode ver-se a saída de água do tanque para o injector passando pela torneira de abertura manual, e o cilindro difusor á saída do injector em direcção á caldeira.

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    Como é de prever a construção destes cones em miniatura é trabalho de uma precisão enorme, porque á mínima falha nas medidas, tudo isto não trabalha. As check valves também tem a sua boa quota parte no bom funcionamento do sistema.

    O que são a check valves?  São válvulas que permitem a passagem de fluidos apenas num só sentido. Isto é, permitem que a água vinda do injector passe para a caldeira mas não permitem que a água e vapor passem da caldeira para o injector. São peças minuciosas devido ao diâmetro da sua esfera e dos furos de passagem terem que estar de acordo com a pressão de trabalho da caldeira e a força que o injector é capaz de fazer do outro lado para vencer a pressão da caldeira forçando a entrada da água.

      Se a esfera e o furo de passagem tiverem diâmetro excessivo, o injector não terá caudal e pressão suficiente para vencer a força que a pressão faz do lado de dentro da caldeira, e o injector engasga-se deitando para fora toda a água e vapor que entraram pelos respectivos tubos de entrada porque a válvula não abre. Com o diâmetro da esfera e do furo muito pequenos, o injector engasgar-se-á também porque o furo não dará passagem suficiente à água que vem do injector. Também é necessário que a séde onde assenta a esfera esteja bem polida para que a válvula vede muito bem.

    Se tudo isto funcionar bem ouve-se um silvo característico devido à alta velocidade que a mistura água-vapor atingem ao passarem nos cones do injector, seguindo para a caldeira.

    Com a canalização mais ou menos definitiva já feita fui novamente acender a caldeira para ensaiar o funcionamento dos injectores. Para meu espanto verifiquei que funcionavam muito melhor do que como estava de antes. A razão é simples: é que eu coloquei as válvulas de sentido único "check valves" junto da entrada de água para a caldeira, e de antes estavam á saída dos injectores. Isto prova que havendo mais espaço "de início sem pressão" entre o injector e a válvula, o empurrão que a esfera leva no sentido de abrir a válvula é maior, facilitando assim o funcionamento do sistema.

                                              Construção do motor a vapor 

    Foi construído um motor de um único cilindro com distribuidor plano colocado ao lado do cilindro de forma a que pudesse ser comandado com dois excêntricos colocados na cambota. Para construção do bloco de cilindros e da válvula de gaveta foi escolhido o bronze fosforoso. A cambota foi feita em aço de construção.

      Dado que se trata de um tractor agrícola dos que existiram em Portugal nos anos 30, 40, o motor está montado longitudinalmente sobre a caldeira conforme pode ser visto nas fotografias. 

      Estes motores tem a particular vantagem de ter um forte binário de arranque dado que a pressão que é exercida no cilindro é sempre a mesma em todo o curso do êmbolo.        

       Como é um motor de um único cilindro tem o problema de não conseguir arrancar quando pára nos pontos mortos inferior e superior.

        Nos primeiros ensaios verifiquei que é capaz de trabalhar com uma pressão baixíssima bastando soprar com a  boca no tubo de alimentação. Com 5kgs de pressão é quase impossível parar a cambota na roda de balanço. A transmissão para as rodas é feita com duas ordens de carretos para reduzir a velocidade e aumentar o binário, e em seguida transmite o movimento a uma corrente metálica que por sua vez o transmite ás rodas motrizes.

    A velocidade no solo em terreno direito e sem carga é equivalente á de uma pessoa a andar a bom passo.

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Construção de um novo motor vapor de 2 cilindros.

Após várias experiências feitas com a máquina a puxar por 2 pessoas sentadas no carrinho com um total de mais de 200kg verifica-se que tem uma potência razoável, mas é sempre chato quando o êmbolo pára num dos pontos mortos o motor não arranca "o que de facto também acontecia nas máquinas grandes", mas aqui é particularmente pouco técnico ter que dar um empurrão na roda de balanço para que o motor inicie a marcha.

Foi decidido começar a construção de um novo motor de 2 cilindros com a mesma cilindrada mas com mais um pouco de curso o que lhe vai não só dar mais do dobro da potência, e mais binário porque o êmbolo tem mais curso, mas a principal vantagem é que os êmbolos vão ficar desfasados 90 graus "o da direita avançado" permitindo assim que um dos cilindros compense os pontos mortos do outro. Assim a máquina arranca sempre em qualquer posição.

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Aqui a foto dos dois cilindros do novo motor de 2 cilindros ainda em construção, mas já se pode ver o êmbolo com a sua haste e a tampa traseira do cilindro direito desmontada. Dos lados vê-se as caixas das válvulas de comando dos cilindros chamadas válvulas de gaveta.

As fotos que se seguem mostram o motor já praticamente pronto. Apenas falta construir os copos de lubrificação, os tubos de alimentação de vapor, os tubos de alimentação de óleo e a alavanca de  inversão de marcha que liga o veio de inversão de marcha ao tirante de inversão de marcha.

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Pode ver-se aqui o pormenor da geometria do sistema de inversão de marcha.

 

    Você que também está interessado no vapor-vivo não fique quieto, venha daí ponha as mãos no torno mecânico,  na chapa de cobre ou aço, dê andamento à obra e não esmoreça pelo meio. Posso garantir-lhe que depois de feito é compensador ver funcionar.

    Até há poucos anos a mais potente locomotiva  construída no mundo era a vapor, "segundo um programa que eu vi na televisão".

    A China é o único país do mundo onde ainda hoje se constróem locomotivas a vapor. A razão é simples: Eles não sabem o que fazer á enorme quantidade de carvão de pedra que dispõem. "Informação também proveniente da televisão". 

                                                      Actualizada em 18/10/2002   07/04/2003    13/09/2003    18/12/2004                  

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