La Maquina de Vapor

LA MAQUINA DE VAPOR Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica. En esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas:

1. Se genera vapor de agua en una caldera cerrada por calentamiento, lo cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón. Mediante un mecanismo de biela - manivela, el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante de inercia.

2. El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro.

El motor o máquina de vapor se utilizó extensamente durante la Revolución Industrial, en cuyo desarrollo tuvo un papel relevante para mover máquinas y aparatos tan diversos como bombas, locomotoras, motores marinos, etc. Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no son ya de émbolo o desplazamiento positivo como las descritas, sino que son turbomáquinas; es decir, son atravesadas por un flujo continuo de vapor y reciben la denominación genérica de turbinas de vapor. En la actualidad la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares, ya que se ha visto desplazado especialmente por el motor eléctrico en la maquinaria industrial y por el motor de combustión interna en el transporte.

HISTORIA MAQUINA DE VAPOR La máquina de vapor, o previamente conocida como motor de vapor, se empleó de forma activa durante el desarrollo de la Revolución Industrial; aquí tuvo un papel fundamental ya que se utilizaba para mover diversas máquinas tales como locomotoras, bombas, motores marinos, etc. La máquina de vapor moderna que se empleaban en la generación de energía eléctrica no es ya de desplazamiento positivo o émbolo como las descriptas en el párrafo anterior, éstas son turbomáquinas, decimos con

esto que están atravesadas por un continuo flujo de vapor; las mismas reciben el nombre de turbinas de vapor. Actualmente, la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco empleado para servicios auxiliares, ya que se ha vista desplazada por lo que conocemos, en la máquina industrial, como el motor eléctrico y por el motor de combustión interna en el transporte. Son muchos los investigadores y autores que han tratado de determinar la fecha de la invención de la máquina de vapor, tratando de encontrar su inventor, intento en vano debido a que la historia de su invención y desarrollo se encuentra plagada de cientos de nombres. La historia de la máquina de vapor se relaciona con Herón, y sigue su curso pasando por la sofisticada máquina de Watt, siendo víctima de las mejoras en Inglaterra en la Revolución Industrial, hasta hoy, en donde la podemos utilizar en el transporte, entre muchas otras cosas.

PARTES DE LA MÁQUINA DE VAPOR

Caldera: es el componente cuya función es la de calentar el agua hasta convertirla en vapor a alta presión.

Lumbreras de entrada y salida (LE, LS): conductos de entrada y salida del vapor.

Válvula de entrada (VE): permite la entrada del vapor al contenedor. Si se cierra, se corta todo el suministro de entrada de vapor.

Contenedor (C): lugar donde se encuentra la válvula corredera. Válvula corredera (VC): componente que se encarga de regular la entrada y salida de vapor del cilindro. Se compone de una pieza con una cavidad, conectada a una barra que se desplaza hacia la izquierda o derecha por la acción del pistón. Estos desplazamientos hacen posible que se cambie la posición de entrada y salida del vapor para provocar el movimiento de vaivén.

Cilindro (CIL): componente aislado térmicamente (para mantener la temperatura del vapor) que dispone de orificios para la entrada o salida del vapor, y contiene el pistón o émbolo, que se desplaza por su interior debido a la acción del vapor. Para que se desplace dicho pistón, dispone de dos orificios más por los extremos, por los que pasa la barra del pistón.

Pistón o émbolo (P): el pistón es un disco que ocupa la sección transversal interna del cilindro, y que está atravesado por una barra en el centro, que lo conecta al sistema de transformación del movimiento de vaivén en movimiento circular.

Sistema de cambio de la válvula corredera (MI, MD): se compone de unas manivelas conectadas a la barra de la válvula corredera, que al ser accionadas por un resorte situado en la barra del pistón, hacen que cambie de posición dicha válvula.

Biela (B): componente del Sistema de Transformación del Movimiento (STM) que une el pistón con la manivela.

Manivela (M): componente del STM que conecta la biela con el volante y se encarga junto con la biela y el volante de transformar el movimiento de vaivén en un movimiento circular.

Volante (V): último componente del STM que, por su fabricación de metal, mantiene el movimiento circular por la propia inercia de su peso.

FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA DE VAPOR En primer lugar se calienta agua en la caldera hasta que se obtiene vapor de la misma y es conducido hasta el contenedor (C) por la lumbrera de entrada (LE). Para ello se abre la válvula de entrada (VE). Si se desea cortar el suministro de vapor, por tanto, parar el funcionamiento de la máquina, se debe de volver a cerrar VE. En el momento que el vapor llega al contenedor, pasa al cilindro (CIL) por la lumbrera izquierda (LI). El vapor desplaza el pistón (P) hacia la derecha, moviendo el resorte (R), la biela (B), la manivela (M) y el volante (V). La biela junto con la manivela y el volante, se encargan de traducir el movimiento de vaivén del pistón en un movimiento circular.

Desplazándose el resorte a la derecha, llega un momento que acciona la manivela de cambio derecha (MD), moviendo la válvula corredera (VC), que pasa de tapar a la lumbrera de escape (LES) y a la lumbrera derecha (LD), por imposibilitar la entrada de vapor a la lumbrera izquierda (LI) y a la lumbrera de escape (LES). Por tanto, el vapor entra ahora al cilindro (CIL) por la lumbrera derecha (LD), desplazando al pistón (P) hacia la izquierda. El vapor que ha quedado en la parte izquierda del cilindro (CIL), es presionado por el pistón (P), por lo que sale por LI hacia LES, que conduce el vapor hasta la lumbrera de salida (LS), la cual dirige el vapor a un condensador para poder reutilizarlo.

Como ocurría antes, el resorte (R) se va desplazando hacia la izquierda hasta que acciona la manivela de cambio izquierda (MI), volviendo a cambiar de posición la válvula corredera (VC), por lo que el vapor vuelve a entrar por la lumbrera izquierda (LI) al cilindro (CIL) moviendo al pistón (P), moviéndose este hacia la derecha. El vapor sobrante en la parte derecha

del cilindro (CIL) sale por la lumbrera derecha (LD) hacia la lumbrera de escape (LES), y de ahí a la lumbrera de salida (LS).

A partir de este momento el funcionamiento de la máquina de vapor se repite, es decir, el pistón (P) se desplaza hacia una dirección desplazando consigo el resorte que acciona la manivela de cambio correspondiente con la dirección a la que se está desplazando dicho resorte. La pulsación de una de estas manivelas, hace que el movimiento del pistón (P) se invierta, y se desplace en la nueva dirección hasta que el resorte vuelve a pulsar una de las manivelas de cambio, y así sucesivamente.

UTILIDAD ACTUAL DE LA MÁQUINA DE VAPOR Actualmente, el uso de la máquina de vapor es bastante escaso, limitándose, casi exclusivamente, a las turbinas de las centrales eléctricas (que no tienen nada que ver con el funcionamiento de la máquina de vapor). Esto se debe a los inconvenientes citados anteriormente. En cambio, las turbinas de vapor siguen utilizándose actualmente por su alta eficiencia, y por la facilidad de obtención de vapor de agua por diversos medios.

MÁQUINAS TÉRMICAS Y LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA. Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía, como la energía eléctrica y mecánica. Hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual: 1) Se absorbe calor de una fuente a alta temperatura.  

La máquina realiza un trabajo Libera calor a una fuente a temperatura más baja.

En un proceso característico para producir electricidad en una planta de potencia, el carbón o algún otro tipo de combustible se quema y el calor generado se utiliza para producir vapor de agua. El vapor se quema y el calor generado se utiliza para producir vapor de agua. El vapor se dirige hacia las aspas de una turbina, poniéndola a girar. Por último, la energía mecánica asociada a dicha rotación se usa para mover un generador eléctrico. El motor de combustión interna en un automóvil extrae calor del combustible en combustión y convierte una fracción de esta energía mecánica. Una máquina térmica transporta alguna sustancia de trabajo a través de un proceso cíclico, definido como aquel en el que la sustancia regresa a su estado inicial. El trabajo neto W realizado por la máquina es igual al calor neto que fluye hacia la misma. Q neto= Qh - Qc; por lo tanto: W = Qh - Qc Donde Qh y Qc se toman como cantidades positivas. Si la sustancia de trabajo es un gas, el trabajo neto realizado en un proceso cíclico es el área encerrada por la curva que representa a tal proceso en un diagrama PV. La eficiencia térmica, e , de una máquina térmica se define como la razón del trabajo neto realizado al calor absorbido durante un ciclo: W = Qh  – Qc = 1 - Qc

e = 

Este resultado muestra que una máquina térmica tiene una eficiencia de 100% (e = 1) sólo si Qc=0, es decir, si no se libera calor a la fuente fría. En otras palabras, una máquina térmica con una eficiencia perfecta deberá convertir toda la energía calorífica absorbida Qh en trabajo mecánico. La segunda ley de la termodinámica establece que esto es imposible. Un refrigerador (o bomba de calor) es una máquina térmica que opera en sentido inverso (Figura 3), en la cual la máquina absorbe el calor Qc de la fuente fría y libera calor Qh a la fuente caliente. Esto sólo puede ser posible si se hace un trabajo sobre el refrigerador. Por lo tanto, se ve que el refrigerador transfiere calor del cuerpo más frío (el contenido del refrigerador) a un cuerpo más caliente (el cuarto).