sexta-feira, 3 de agosto de 2007

A EVOLUÇÃO DA TRAÇÃO A VAPOR (continuação 3)

8. A Física Clássica na tração a vapor

Atualmente, quando um trem turístico, rebocado por uma locomotiva a vapor, surge como que do passado, arrastando passageiros sorridentes nas janelas de seus carros de madeira, desperta com seu apito estridente e matraquear característico o sossego as comunidades cortadas pelas linhas, deixando no ar o rastro da fumaça, o perfume da madeira queimada e uma intrigante pergunta para os mais jovens: como funciona uma locomotiva?

Conhecer como funciona uma locomotiva a vapor pelas entranhas de um exemplar genuíno sangue azul exigirá algumas justificativas talvez excessivamente técnicas, mas é um passo necessário para se poder admirar esta jóia da engenharia mecânica, onde se utiliza apenas os conceitos da Física Clássica.

As Pacifics foram as rainhas da época de ouro do vapor e a 353, que pertenceu a Central do Brasil, foi fabricada em 1927 e importada dos EUA para tracionar trens de luxo entre Rio de Janeiro e São Paulo. É uma rara Baldwin de três cilindros, que trabalhava com vapor superaquecido que podia a atingir cerca de 100 km/h. Sobreviveu como monumento na oficina da RFFSA em Cachoeira Paulista até 1979, quando foi cedida em comodato à Associação Brasileira de Preservação Ferroviária (ABPF).

"Velha Senhora" Pacific 4-6-2 Museu do Imigrante
São Paulo, 2006

Meu filho André, que atualmente trabalha como game designer na Espanha, fez a meu pedido uma modelagem da “Velha Senhora” em 3D. As figuras a seguir mostram de forma didática as partes componentes de uma locomotiva a vapor, no caso uma Pacific, passo indispensável para se conhecer seu funcionamento, semelhante em todas outras locomotivas, mas com as particularidades específicas de cada uma, como acontece nas obras de arte.

Raios X de uma Pacific



1 - Distribuição de vapor
2 - Cilindro
3 - Êmbolo
4 - Haste do êmbolo
5 - Paralelos
6 - Puxavante
7 - Cruzeta
8 - Braço de conjungação
9 - Quadrante
10 - Eixo de Distribuição de Marcha

A função primordial de uma locomotiva é desenvolver uma força expressa em quilograma-força (kgf) ou Pound (libras-força), paralela ao eixo da linha, capaz arrastar os vagões de carga e carros de passageiros, vencendo as resistências opostas à marcha do trem. Esta força chamada Força de Tração Útil ou Força de Tração Efetiva é medida no engate do tender, veículo que conduz a água a ser evaporada e o combustível a ser utilizado na fornalha, já excluindo os esforços gastos para sua movimentação e da própria locomotiva. Quando a força efetiva é superior à soma das resistências do trem, a velocidade aumenta; quando é menor a velocidade diminui.

Na caldeira da locomotiva os gases quentes provenientes da fornalha aquecem a água em contato com sua superfície que entra em ebulição, sendo o vapor produzido conduzida para o ponto mais alto da caldeira, chamado domo, onde uma válvula o recolhe e encaminha para uma tubulação. Nas locomotivas mais modernas este vapor saturado de umidade antes de seguia diretamente para os cilindros de movimentação, percorre toda a extensão da caldeira, recebendo nova carga de energia dos gases aquecidos. Como o vapor é dotado de grande energia de expansão, em toda locomotiva existe uma válvula de segurança (pop valve) que libera para atmosfera o vapor que atinge pressão superior à da regulagem. Nas antigas locomotivas a pressão de trabalho na caldeira era inferior a 100 libras por polegada quadrada (psi – Pound per square inche) ou 6,8 atmosferas (kgf/cm2), no fim da era do vapor trabalhava-se com uma pressão na caldeira de 285 psi ou 19,4 atm e incremento na temperatura do vapor de 150º C. Registra-se que nos EUA, no afã de aumentar a potência das locomotivas pelo aumento da pressão nas caldeiras, registrou-se mais de 10 mil explosões entre 1870 e 1910, quando a American Society of Mechanical Engineers (ASME) estabeleceu o fator de segurança 4x entre a pressão de operação e pressão de explosão [19].

Chegando ao cilindro o vapor ingressa por uma abertura, ora numa face ora noutra do êmbolo, graças aos engenhosos sistemas de distribuição, no início usando válvulas de gaveta plana e posteriormente cilindro de distribuição, que permitia trabalhar com vapor superaquecido a alta pressão. Ao longo do cilindro o embolo impelido pelo vapor é ligado a uma haste ou puxavante, promovendo a aplicação da força no pino motor instalado na roda, conforme diagrama simplificado para uma única roda para fins de clareza, onde: p é a pressão no cilindro, d é o diâmetro do êmbolo (ou diâmetro interno do cilindro), L é o curso do êmbolo no cilindro), D é o diâmetro da roda motriz e t é a força de tração da roda no trilho e T a força de tração no rodeiro.

No interior do cilindro de diâmetro interno d, quando o êmbolo percorre todo seu comprimento de extensão L a roda motriz de diâmetro D faz um giro de 180º. A força exercida pelo vapor sobre pressão sobre o êmbolo no interior do cilindro equivale ao produto da área do êmbolo (πd2/4) pela pressão p.

Como as duas rodas estão solidamente ligadas por um eixo, a força de tração T no rodeiro é o dobro da força em cada roda t. Como Trabalho é o produto da força atuante pela distância percorrida, o Trabalho físico produzido no cilindro é igual ao Trabalho produzido pela roda motriz, no giro de 180º, isto é, meio perímetro: π D / 2. Podemos então igualar os dois Trabalhos físicos na roda e no cilindro: t π D /2 = L p π d2 / 4. Fazendo t = T/2, tem-se: D T /2 = L p d2 / 2, resultando na clássica fórmula da força de tração em cada eixo, conhecido o diâmetro do cilindro, o curso do êmbolo, o diâmetro da roda motriz e a pressão de trabalho do vapor na caldeira, devidamente corrigido por fatores empíricos que corrigem as perdas mecânicas e termodinâmicas.

A Divisão de Mecânica da Association of American Railroads (AAR) estabeleceu em 1924 que este fator é 85% enquanto as normas européias estabelecem o valor de 65% [19]. Adotando o valor americano, tem-se:

Força de Tração = 85% p L d d/D

Onde: p - pressão de trabalho da caldeira em atmosferas (kg/cm2); L - curso do êmbolo, d – diâmetro do êmbolo e D – diâmetro da roda motriz expressos em centímetros (cm), o resultado da força de tração será em quilograma-força (kgf).

Como no Brasil, na prática ferroviária usam-se as duas ao mesmo tempo unidades do sistema inglês com as do sistema métrico, preferindo se referir à pressão em psi (libras por polegada quadrada), é necessário para aplicação da fórmula dividir a pressão em libras por 14,7 para sua conversão em atmosferas (kg/cm2), caso se queira calcular a força de tração de uma locomotiva existente.

Para o dimensionamento de uma locomotiva a ser projetada ou reformada, outros fatores devem ser considerados além das dimensões teóricas, principalmente a aderência, que é muito mais do que um coeficiente de atrito. Para que a força t na roda provoque uma translação, não poderá haver escorregamento; isto é, a resistência ao escorregamento dada pelo produto da taxa de aderência (f) pelo peso aderente (N), uma força normal sobre a roda. Esta taxa f varia com estado dos trilhos (seco ou molhado) e processo de transferência da potência do motor para as rodas.

Nas modernas locomotivas diesel-elétricas como motores de tração de corrente alternada comandados por inversores de freqüência com microprocessadores, consegue-se uma taxa de aderência na demarragem de até 36%. Para as locomotivas a vapor, entretanto, com trilho seco e em boas condições a taxa máxima chega a 25% do peso aderente (sobre os eixos motrizes), sendo mais adotada a 20% que pode cair até a 10% para trilho úmido, lubrificado ou linha coberta de mato [20].

Outro aspecto a se notar antes, da simples aplicação da fórmula dada, refere-se à velocidade crítica de uma locomotiva a vapor. Uma vez que a capacidade de produção de calor de uma fornalha é limitada por características construtivas, nas baixas velocidades a produção de vapor revela-se excessiva; nas altas velocidades, mantendo-se toda a admissão possível, a produção do vapor é insuficiente.

Esta velocidade pode ser determinada analiticamente considerando que no percurso de ida e volta do êmbolo (2L) a roda motriz dá um giro completo (πD). É a velocidade que serve para especificar o tipo de locomotiva de acordo com o serviço. Rodas grandes de dimensões quando se deseja velocidade (trens de passageiros), de média dimensões quando se deseja força (trens de carga) e de reduzidas dimensões quando se deseja grande capacidade de arrasto (locomotivas de manobra).

Diretamente relacionado com a velocidade de operação é o sistema de freio, geralmente mecânico, ou a vácuo e raramente a ar-comprimido nas antigas locomotivas. Tão importante quanto fazer um trem andar bem e conseguir pará-lo com segurança, deve ser a primeira regra.

A potência P de uma locomotiva é calculada como o produto da força de tração F pela velocidade V, devido à seguintes expressões da Física:
(1)
P = W / t

isto é, potência é o trabalho realizado na unidade de tempo;
(2)

W = F d

isto é, trabalho é produto da força pela distância percorrida; Substituindo (2) em (1), vem que
(3)
P = F d / t
Como:

V = d / t

isto é, velocidade é a distância percorrida na unidade de tempo, tem-se:

P = F V.

O fator limitante da potência da locomotiva como máquina térmica é sua capacidade de gerar energia pela vaporização da água, que além de fatores construtivos depende do poder calorífero dos combustíveis utilizados. A unidade que mede este poder calorífero é a Caloria no sistema métrico ou BTU (British Termal Unit) no sistema inglês. Por definição, uma Caloria é a capacidade de elevar em 1º C um quilograma de água; uma BTU é a capacidade de elevar uma libra (Pound) de água de 1º F.

Segundo autores consagrados [21], a pressão de vapor usada nas locomotivas mais modernas (pode-se dizer isso hoje?) variava de 12 a 18 atm e a temperatura do vapor superaquecido oscilava entre 350 a 400º C, com uma capacidade de vaporização de das caldeiras de 267 kg/m2 de superfície de vaporização direta. O superaquecimento proporcionava uma economia de 25 a 40% no consumo de água e de 15 a 25% em combustível, razão pela qual, as locomotivas que utilizavam este recurso foram chamadas de locomotivas da 2ª. geração.

O que viabilizou a utilização do vapor superaquecido nas locomotivas foi a substituição no controle do vapor no cilindro das válvulas do tipo gaveta pelas de pistão indicada na figura [22]:

Válvulas para vapor saturado (quadrada) e para vapor superaquecido (redonda)

O combustível mais usado nas locomotivas a vapor no Brasil em 1951 era a lenha, com consumo de 11,6 milhões de m3; seguido do carvão nacional com 928 mil toneladas, carvão importado com 343 mil t e óleo combustível com 231 mil t. Estes combustíveis tinham o seguinte poder calorífero:

Óleo combustível.................... 10.500 a 10.800 cal/kg
Carvão importado................... 5.200 a 8.000 cal/kg
Nó de pinho............................. 5.650 cal/kg em média
Carvão nacional (SC).............. 4.500 cal/kg em média
Lenha....................................... 3.800 a 4.100 cal/kg

Pelo baixo rendimento tanto do carvão nacional como da lenha (já escasseada devido ao desmatamento da Mata Atlântica para o plantio de café), o combustível para as locomotivas a vapor representava uma grande evasão de divisas, contribuindo para aumento do custo operacional.

Numa eventual recuperação de antigas locomotivas para fins turísticos, mediante um projeto de engenharia, é possível utilizar qualquer tipo de combustível não previsto quando do projeto original por inexistência de oferta, desde que se mostre operacionalmente mais conveniente, como por exemplo, o Gás Liquefeito de Petróleo (GNV), Gás Natural Veicular (GNV) ou mesmo o Óleo combustível. Já que o combustível é o principal item de custo na tração a vapor, qualquer economia neste item aumenta a viabilidade econômica dos projetos. Caso não se queira descaracterizar demasiadamente o modelo original, mediante avaliação termodinâmica é possível operar com grande economia com combustíveis mistos, por exemplo, óleo e madeira queimando simultaneamente na fornalha.

9. O Maquinista

Alguns autores [22] consideram a locomotiva a vapor é a expressão máxima da arte da mecânica jamais realizada pelo homem. Apesar de essas locomotivas serem equipamentos simples sob o ponto de vista tecnológico, sua operação eficaz exigia dos engenheiros da Locomoção aplicação de conhecimento de várias áreas da Física e sua correta especificação um conhecimento razoável das condições de operação (tipo de serviço e material de transporte a ser tracionado) que estaria submetida, perfil e traçado da linha onde iria operar para determinação das resistências ao rolamento e uma adequada logística (termo não utilizado na época) para suprimento de água, combustível e manutenção adequada. Entretanto, quem mais aparece na tração a vapor é o maquinista [23].


Dá para imaginar as cenas. Caminhando lentamente ao redor da locomotiva, sob olhares admirados dos passageiros embarcados e ainda na plataforma, orgulhoso de sua máquina, puxa do bolso esquerdo do paletó do seu terno azul-marinho um lenço branco e esfrega no balaustre de bronze cintilante. Apesar da fuligem que sai pela chaminé o lenço não fica sujo. Lança um olhar de aprovação para seus auxiliares, o foguista e o graxeiro, e sobe na cabina. A mão firme abre lentamente o regulador, injetando vapor nos cilindros. O sino é ligado e um silvo estridente responde ao apito do chefe do trem que havia autorizado a partida. Expulsa a água condensada nos cilindros, soltando vapor saturado que afasta todos que se aglomeraram perto da locomotiva, o trem dá um tranco e começa a se mover.

Conhecedor do trecho, o maquinista procura sentir o trem nas suas costas. Logo depois da estação vem uma rampa forte, o manômetro indica que a pressão é máxima. Olha para trás quando o trem faz a curva e, salvo crianças debruçadas nas janelas, não há nenhum mancal aquecendo. Presta atenção no último rodeiro do tender que está com o bronze gasto, mas a estopa bem embebida no óleo na caixa de graxa não dá sinal de fumaça. Lança um olhar no nível de água que está ficando cada vez mais baixo, mas o manômetro assinalou queda na pressão. Ordena que o foguista use a lenha empilhada à esquerda, a lenha de morro-acima, troncos que deixando vazar uma seiva oleosa indicava bom poder calorífero. Precisa de alta pressão para vencer a pior rampa no corte de pedra.

Fica atento na passagem em nível logo depois da curva, preparado para acionar o freio de emergência. Um carro em alta velocidade vindo pela estrada paralela à linha parece disputar uma corrida com seu trem, para ver quem chega primeiro. Puxa com firmeza o apito, que mudou de melodia para um clarim de protesto (percebido apenas pelos passageiros de ouvidos mais sensíveis). O carro pára com uma freada brusca. O maquinista lança um olhar reprovador para o motorista, mas não faz gesto algum; é um cavalheiro.

Logo depois do corte a linha ganha o plano e o maquinista relaxa, foi vencido o pior trecho. Injeta água do tender na caldeira, fazendo a pressão cair e acena para o foguista que pode começar a usar a lenha de pior qualidade, pois logo vai começar uma descida suave até a ponte metálica em curva, que deve ser cruzada com velocidade mais baixa.

O trem corre célere, a chaminé está deixando um rastro de fumaça braça difusa, pois os cilindros trabalham com pressão reduzida. Crianças acenam de um jogo de futebol paralisado pela passagem do trem. Fica atento ao estado da via permanente ao se aproximar do aglomerado de casas na divisa com a faixa, de onde escorre água servida, que compromete a estabilidade do lastro, provocando um “balanço” perigoso. Como o ponto fica â esquerda, o corpo da locomotiva atrapalha a visão de perto. Sempre que passa pelo local faz uma oração silenciosa e recorda-se de casos antigos, de colegas que ao descarrilarem um trem tracionado por locomotiva a vapor ficaram presos às ferragens, recebendo no corpo água fervente da caldeira rachada.

Passado o ponto crítico e prosseguindo a viagem, observa de soslaio uma mocinha no quintal de uma casa junto da linha, logo reconhecendo que a pequena menina, que antes também acenava para o trem está ganhando corpo. Puxa o cordel com suavidade e do apito sai uma saudação especial. Ela devolve um sorriso. É o maquinista, senhor de todas as histórias, trabalhando com prazer num dia-a-dia qualquer de uma era remota da história da ferrovia.


10. Custo da Tração a Vapor

A tração a vapor exigia um grande contingente de operários especializados. Em 1950 as ferrovias brasileiras somavam 36.681 km e empregavam 195.229 empregados. O custo operacional era muito alto quando comparado com a tração diesel-elétrica e vinha crescendo. Em 1942 a tração a vapor custava Cr$ 28,36 por mil tonelada-quilômetro, enquanto a tração elétrica custava apenas Cr$ 3,40; dez anos depois passou para Cr$ 76,21, a elétrica para Cr$ 4,95 enquanto a diesel-elétrica, que já aparecia nas estatísticas, indicava Cr$ 9,32 [24].

A relação de custo operacional entre as três alternativas de tração em 1950

Tração a vapor para diesel-elétrica..... 1:9
Tração a vapor para elétrica.................. 1:15
Tração diesel para elétrica..................... 1:2

A tração a vapor passou a ter nas locomotivas diesel-elétrica um concorrente poderoso operacionalmente. A locomotiva elétrica, apesar do menor custo operacional, nunca foi concorrentes da versatilidade da locomotiva a vapor, capaz de ir onde houvesse linha e não dependia de rede aérea de geração de energia externa. A diesel-elétrica, entretanto era um concorrente melhor ainda versatilidade operacional. Uma locomotiva a vapor, antes de começar a trabalhar precisava ser acesa, exigindo no mínimo uma hora antes para as de pequeno porte e duas horas antes para as grandes. Na diesel-elétrica bastava acionar a ignição.

A tração elétrica permite ótimo controle da potência aplicada nas rodas motrizes, aumentando a capacidade de tração por ter menos deslizamento, porém exige um vultoso investimento e restringe a capacidade de carga de um trecho pelas potência das instalações fixas, como subestações, cabos etc., não permitindo tração múltipla direta como na tração a vapor e diesel. Enquanto isso, as diesel-elétricas, além das vantagens de controle de tração das elétricas, podiam ser acopladas uma à outra e conduzidas por uma única equipagem. As locomotivas a vapor também podiam trabalhar na tração múltipla, mas naquela época isto exigia um complexo código de apitos entre os vários maquinistas envolvidos, para saber quando acelerar ou frear.

Operacionalmente as locomotivas diesel-elétricas com a tração múltipla revolucionaram o sistema de tração, aumentando a capacidade de carga das ferrovias com mínimo investimento em pátios de cruzamento, já que os trens ficavam cada vez mais longos e os de passageiros às vezes perdiam a prioridade e tinham que se acomodar nos pátios curtos de cruzamento, com os passageiros indignados assistindo um trem de carga passar.

Quando a dieselização das ferrovias se firmou no Brasil, coincidiu com o governo JK, de industrialização com base rodoviária. Os trens de passageiros estavam ficando cada vez mais vazios, pois as linhas de ônibus lhes faziam concorrência acirrada. Além disso, com o crescimento da demanda do transporte de carga em granel, parcela importante das administrações ferroviárias via o trem de passageiro de interior como um estorvo antieconômica.

Finalmente, apesar de uma simplicidade, as locomotivas de uma frota eram de várias idades, diferentes fabricantes e modelos, de mecânica complexa que exigiam mão-de-obra qualificada por anos de experiência e transferência de conhecimento verbal por velhos mestres. É um fator que pesou no passado e até hoje influencia quando se planeja recuperar antigas locomotivas.

Diante do custo operacional elevado e mão-de-obra difícil para manutenção, o Brasil, no pós-guerra, como vários outros países, trocou rapidamente as locomotivas a vapor pelas diesel-elétricas e ingressou com confiança numa era do petróleo barato e abundante. Foi o princípio do fim da era do vapor nas ferrovias.

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Bibliografia:
[19] Lamb, J. Paker Perfecting the American steam locomotive. Indiana University Press, Bloomington, Indiana, USA, 2003, p. 289.
[20] Amaral, Áttila do Manual de engenharia ferroviária. Editora Globo. Porto Alegre, RS, 1957, p. 423.
[21] Lamb, J. Paker Perfecting the American steam locomotive. Indiana University Press, Bloomington, Indiana, USA, 2003. p. 32.
[22] Idem, p.28.
[23] David, Eduardo Gonçalves A ferrovia e sua história. Edição AENFER-AMUTREM, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 1998, p. 105.
[24] Monteiro Filho, Jerônimo. Traçados de estradas. Editor Borsoi, Rio de Janeiro, RJ, 1955, p. 190.

3 comentários:

Ricardo disse...

Prezado Professor Eduardo Gonçalves David:


Estou procurando o seu livro " A Ferrovia e sua História", infelizmente não estou conseguindo encontrá-lo, podes ajudar-me?


Obrigado,

Ricardo Costa
Bebedouro-SP

ghuten.thag@gmail.com

Eusafe disse...

Parabéns Prof.Eduardo Gonçalvez David. Sou um apaixonado por ferrovias e trens, principalmente os antigos. Mas também sou formado em engenharia elétrica com pós em eletronica industrial. Esse é o primeiro artigo que leio na Internet analizando de maneira totalmente técnica porque as locomotivas puramente elétricas, como as Russas ou as lendárias GE V-8 deixaram de circular pelas nossos trilhos. Podemos perceber que houve e mais do que nunca ainda há, um forte impedimento técnico econômico. Já imaginou como poderia trafegar uma loco elétrica durante os passados anos de apagão elétrico em nosso país? Isso sem contar os custos de manutenção das SE retificadoras de AT e linhas de alimentação com a implantação da recente NR-10. Gostaria que os historiadores que "sentam o pau" na desativação das locomotivas elétricas levassem em conta esses fatos em suas análises. Quanto às futuras locomotivas com turbinas a vapor acionando um gerador elétrico, pode ser, desde que as mesmas utilizem combustível de biomasssa. Se forem utilizar carvão mineral como no passado, pode esquecer. As mesmas não serão aprovadas como sustentáveis ecologicamente. A não ser que alguem invente como queimar carvão mineral com seu teor de enxofre de maneira a não causar poluição alguma.

Naiara disse...

como faz ?