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Un modelo de un motor de haz con el enlace paralelo de James Watt para una doble acción. [a]
Un motor de molino de Stott Park Bobbin Mill , Cumbria, Inglaterra
Una locomotora de vapor de Alemania Oriental . Esta clase de motor se fabricó en 1942-1950 y funcionó hasta 1988.

Una máquina de vapor es una máquina térmica que realiza un trabajo mecánico utilizando vapor como fluido de trabajo . La máquina de vapor utiliza la fuerza producida por la presión del vapor para empujar un pistón hacia adelante y hacia atrás dentro de un cilindro. Esta fuerza de empuje se transforma, mediante una biela y un volante , en fuerza de rotación para el trabajo . El término "máquina de vapor" se aplica generalmente sólo a los motores alternativos como se acaba de describir, no a la turbina de vapor .

Los motores de vapor son motores de combustión externa , [1] donde el fluido de trabajo se separa de los productos de combustión. El ciclo termodinámico ideal utilizado para analizar este proceso se llama ciclo de Rankine .

Una máquina de arado a vapor de Kemna

En el uso general, el término máquina de vapor puede referirse a plantas de vapor completas (incluidas calderas, etc.) como locomotoras de vapor de ferrocarril y motores portátiles , o puede referirse a la maquinaria de pistón o turbina solo, como en el motor de viga y el motor de vapor estacionario. .

Aunque los dispositivos a vapor eran conocidos ya en el aeolipile en el siglo I dC, con algunos otros usos registrados en el siglo 16 y 17, Thomas Savery es considerado el inventor de la dispositivo con alimentación de vapor primera comercialmente usado, una bomba de vapor que usaba presión de vapor operando directamente sobre el agua. El primer motor comercialmente exitoso que podía transmitir potencia continua a una máquina fue desarrollado en 1712 por Thomas Newcomen . James Watt realizó una mejora crítica al eliminar el vapor gastado a un recipiente separado para la condensación, mejorando en gran medida la cantidad de trabajo obtenido por unidad de combustible consumido. En el siglo XIX, las máquinas de vapor estacionarias alimentaban las fábricas de la Revolución Industrial.. Los motores de vapor reemplazaron la vela por los barcos y las locomotoras de vapor operaban en los ferrocarriles.

Las máquinas de vapor de pistón alternativo fueron la fuente de energía dominante hasta principios del siglo XX, cuando los avances en el diseño de motores eléctricos y motores de combustión interna dieron como resultado gradualmente la sustitución de las máquinas de vapor de pistón alternativo en el uso comercial. Las turbinas de vapor reemplazaron a los motores alternativos en la generación de energía, debido a su menor costo, mayor velocidad de operación y mayor eficiencia. [2]

Historia [ editar ]

Experimentos tempranos [ editar ]

La primera "máquina" a vapor rudimentaria registrada fue el eolipile descrito por Hero of Alexandria , un matemático e ingeniero griego en el Egipto romano en el siglo I d.C. [3] En los siglos siguientes, los pocos "motores" de vapor conocidos fueron, como el eolipile, [4] dispositivos esencialmente experimentales utilizados por los inventores para demostrar las propiedades del vapor. Un dispositivo rudimentario de turbina de vapor fue descrito por Taqi al-Din [5] en el Egipto otomano en 1551 y por Giovanni Branca [6] en Italia en 1629. [7] Jerónimo de Ayanz y Beaumontrecibió patentes en 1606 por 50 inventos a vapor, incluida una bomba de agua para drenar minas inundadas. [8] Denis Papin , un hugonote , hizo un trabajo útil en el digestor de vapor en 1679, y usó por primera vez un pistón para levantar pesas en 1690. [9]

Motores de bombeo [ editar ]

El primer dispositivo comercial de vapor fue una bomba de agua, desarrollada en 1698 por Thomas Savery . [10] Usó vapor de condensación para crear un vacío que elevó el agua desde abajo y luego usó la presión del vapor para elevarla más. Los motores pequeños eran efectivos, aunque los modelos más grandes eran problemáticos. Tenían una altura de elevación limitada y eran propensos a explosiones de calderas . El motor de Savery se usó en minas, estaciones de bombeo y suministro de agua a ruedas hidráulicas que accionaban maquinaria textil. [11] El motor de Savery era de bajo costo. Bento de Moura Portugal introdujo una mejora de la construcción de Savery "para hacerla capaz de funcionar por sí misma", como lo describeJohn Smeaton en las Philosophical Transactions publicado en 1751. [12] Continuó fabricándose hasta finales del siglo XVIII. [13] Se sabía que todavía funcionaba un motor en 1820. [14]

Motores de vapor de pistón [ editar ]

La máquina de vapor de Jacob Leupold , 1720

El primer motor comercialmente exitoso que podía transmitir potencia continua a una máquina fue el motor atmosférico , inventado por Thomas Newcomen alrededor de 1712. [b] [16] Mejoró la bomba de vapor de Savery, usando un pistón como lo propuso Papin. El motor de Newcomen era relativamente ineficiente y se usaba principalmente para bombear agua. Funcionó creando un vacío parcial al condensar vapor debajo de un pistón dentro de un cilindro. Se empleó para drenar los trabajos de la mina a profundidades originalmente imprácticas utilizando medios tradicionales, y para proporcionar agua reutilizable para impulsar ruedas hidráulicas en fábricas ubicadas lejos de una "cabeza" adecuada. El agua que pasaba sobre la rueda se bombeaba a un depósito de almacenamiento encima de la rueda. [17] [18]En 1780 James Pickard patentó el uso de un volante y un cigüeñal para proporcionar movimiento rotatorio de un motor Newcomen mejorado. [19]

En 1720, Jacob Leupold describió una máquina de vapor de alta presión de dos cilindros. [20] La invención fue publicada en su obra principal "Theatri Machinarum Hydraulicarum". [21] El motor usaba dos pistones pesados ​​para proporcionar movimiento a una bomba de agua. Cada pistón fue elevado por la presión del vapor y regresó a su posición original por gravedad. Los dos pistones compartían una válvula rotativa común de cuatro vías conectada directamente a una caldera de vapor.

Motor de bombeo de Watt temprano

El siguiente gran paso ocurrió cuando James Watt desarrolló (1763-1775) una versión mejorada del motor de Newcomen, con un condensador separado . Los primeros motores de Boulton y Watt usaban la mitad de carbón que la versión mejorada de Newcomen de John Smeaton . [22] Los primeros motores de Newcomen y Watt eran "atmosféricos". Fueron accionados por presión de aire que empujaba un pistón hacia el vacío parcial generado por la condensación del vapor, en lugar de la presión del vapor en expansión. Los cilindros del motor tenían que ser grandes porque la única fuerza utilizable que actuaba sobre ellos era la presión atmosférica .[17] [23]

Watt desarrolló aún más su motor, modificándolo para proporcionar un movimiento giratorio adecuado para conducir maquinaria. Esto permitió que las fábricas se ubicaran lejos de los ríos y aceleró el ritmo de la Revolución Industrial. [23] [17] [24]

Motores de alta presión [ editar ]

El significado de alta presión, junto con un valor real por encima del ambiente, depende de la época en la que se utilizó el término. Para el uso temprano del término, Van Reimsdijk [25] se refiere a que el vapor está a una presión lo suficientemente alta como para que pueda ser expulsado a la atmósfera sin depender de un vacío que le permita realizar un trabajo útil. Ewing 1894 , pág. 22 afirma que los motores de condensación de Watt se conocían, en ese momento, como motores de baja presión en comparación con los motores de alta presión sin condensación del mismo período.

La patente de Watt impedía que otros fabricaran motores compuestos y de alta presión. Poco después de que expirara la patente de Watt en 1800, Richard Trevithick y, por separado, Oliver Evans en 1801 [24] [26] introdujeron motores que utilizaban vapor de alta presión; Trevithick obtuvo su patente de motor de alta presión en 1802, [27] y Evans había hecho varios modelos funcionales antes de esa fecha. [28]Estos eran mucho más potentes para un tamaño de cilindro dado que los motores anteriores y podían hacerse lo suficientemente pequeños para aplicaciones de transporte. A partir de entonces, los desarrollos tecnológicos y las mejoras en las técnicas de fabricación (en parte provocadas por la adopción de la máquina de vapor como fuente de energía) dieron como resultado el diseño de motores más eficientes que podrían ser más pequeños, más rápidos o más potentes, según la aplicación prevista. [17]

El motor de Cornualles fue desarrollado por Trevithick y otros en la década de 1810. [29] Era un motor de ciclo compuesto que usaba vapor a alta presión de manera expansiva, luego condensaba el vapor a baja presión, haciéndolo relativamente eficiente. El motor de Cornualles tenía un movimiento y un par de torsión irregulares a lo largo del ciclo, limitándolo principalmente al bombeo. Los motores de Cornualles se utilizaron en las minas y para el suministro de agua hasta finales del siglo XIX. [30]

Motor estacionario horizontal [ editar ]

Los primeros constructores de máquinas de vapor estacionarias consideraron que los cilindros horizontales estarían sujetos a un desgaste excesivo. Por lo tanto, sus motores se dispusieron con el eje del pistón vertical. Con el tiempo, la disposición horizontal se hizo más popular, lo que permitió instalar motores compactos pero potentes en espacios más pequeños.

El apogeo del motor horizontal fue el motor de vapor Corliss , patentado en 1849, que era un motor de contraflujo de cuatro válvulas con válvulas de admisión y escape de vapor separadas y corte automático de vapor variable. Cuando Corliss recibió la medalla Rumford , el comité dijo que "ningún invento desde la época de Watt ha mejorado tanto la eficiencia de la máquina de vapor". [31] Además de utilizar un 30% menos de vapor, proporcionó una velocidad más uniforme debido al corte de vapor variable, lo que lo hace muy adecuado para la fabricación, especialmente para el hilado de algodón. [17] [24]

Vehículos de carretera [ editar ]

Locomotora de carretera a vapor de Inglaterra

Los primeros vehículos experimentales propulsados ​​por vapor de carretera se construyeron a finales del siglo XVIII, pero no fue hasta después de que Richard Trevithick desarrolló el uso de vapor de alta presión, alrededor de 1800, que las máquinas de vapor móviles se convirtieron en una propuesta práctica. La primera mitad del siglo XIX fue testigo de un gran progreso en el diseño de vehículos de vapor, y en la década de 1850 ya era viable producirlos de forma comercial. Este progreso se vio obstaculizado por la legislación que limitaba o prohibía el uso de vehículos a vapor en las carreteras. Las mejoras en la tecnología de los vehículos continuaron desde la década de 1860 hasta la de 1920. Los vehículos de carretera a vapor se utilizaron para muchas aplicaciones. En el siglo XX, el rápido desarrollo del motor de combustión interna.La tecnología condujo a la desaparición de la máquina de vapor como fuente de propulsión de vehículos sobre una base comercial, y quedaron relativamente pocos en uso después de la Segunda Guerra Mundial . Muchos de estos vehículos fueron adquiridos por entusiastas para su conservación, y todavía existen numerosos ejemplos. En la década de 1960, los problemas de contaminación del aire en California dieron lugar a un breve período de interés en desarrollar y estudiar los vehículos a vapor como posible medio de reducir la contaminación. Aparte del interés de los entusiastas del vapor, las réplicas ocasionales de vehículos y la tecnología experimental, en la actualidad no hay vehículos de vapor en producción.

Motores marinos [ editar ]

Una máquina de vapor marina de triple expansión en el remolcador oceánico Hércules de 1907

Hacia finales del siglo XIX, los motores compuestos se generalizaron. Los motores compuestos extraen vapor en cilindros sucesivamente más grandes para acomodar los volúmenes más altos a presiones reducidas, lo que mejora la eficiencia. Estas etapas se denominaron expansiones, siendo comunes los motores de doble y triple expansión, especialmente en el transporte marítimo, donde la eficiencia era importante para reducir el peso del carbón transportado. [17] Los motores de vapor siguieron siendo la fuente de energía dominante hasta principios del siglo XX, cuando se avanzó en el diseño de turbinas de vapor , motores eléctricos y motores de combustión interna.gradualmente resultó en el reemplazo de las máquinas de vapor de pistón (reciprocantes), y el envío en el siglo XX se basó en la turbina de vapor. [17] [2]

Locomotoras de vapor [ editar ]

Imagen vintage de tren de vapor

A medida que avanzó el desarrollo de las máquinas de vapor durante el siglo XVIII, se hicieron varios intentos para aplicarlas al uso de carreteras y ferrocarriles. [32] En 1784, William Murdoch , un inventor escocés , construyó un modelo de locomotora de vapor. [33] Uno de los primeros modelos en funcionamiento de una locomotora de ferrocarril de vapor fue diseñado y construido por el pionero de los barcos de vapor John Fitch en los Estados Unidos, probablemente durante las décadas de 1780 o 1790. [34] Su locomotora de vapor usaba ruedas de paletas interiores [ aclaración necesaria ] guiadas por rieles o vías.

Tren de vapor [Grand Trunk 600] y operadores, condado de Glengarry, Ontario, [entre 1895 y 1910]

La primera locomotora de vapor de ferrocarril en funcionamiento a gran escala fue construida por Richard Trevithick en el Reino Unido y, el 21 de febrero de 1804, tuvo lugar el primer viaje en tren del mundo cuando la locomotora de vapor sin nombre de Trevithick arrastraba un tren a lo largo del tranvía desde Pen-y-darren. herrería, cerca de Merthyr Tydfil a Abercynon en el sur de Gales . [32] [35] [36] El diseño incorporó una serie de innovaciones importantes que incluyeron el uso de vapor de alta presión que redujo el peso del motor y aumentó su eficiencia. Trevithick visitó el área de Newcastle más tarde en 1804 y los ferrocarriles de la minaen el noreste de Inglaterra se convirtió en el principal centro de experimentación y desarrollo de locomotoras de vapor. [37]

Trevithick continuó sus propios experimentos utilizando un trío de locomotoras, y concluyó con el Catch Me Who Can en 1808. Solo cuatro años más tarde, la exitosa locomotora de dos cilindros Salamanca de Matthew Murray fue utilizada por el tren de cremallera y piñón con rieles de borde Middleton Railway . [38] En 1825 George Stephenson construyó la locomoción del ferrocarril Stockton y Darlington . Este fue el primer tren de vapor público en el mundo y luego, en 1829, construyó The Rocket, que ingresó y ganó los Rainhill Trials . [39] El Liverpool y Manchester Railway se inauguró en 1830 haciendo uso exclusivo de la energía de vapor para trenes de pasajeros y de carga.

Las locomotoras de vapor se siguieron fabricando hasta finales del siglo XX en lugares como China y la antigua Alemania del Este (donde se produjo la DR Class 52.80 ). [40]

Turbinas de vapor [ editar ]

La última gran evolución del diseño de la máquina de vapor fue el uso de turbinas de vapor a partir de finales del siglo XIX. Las turbinas de vapor son generalmente más eficientes que las máquinas de vapor de pistón alternativo (para potencias superiores a varios cientos de caballos de fuerza), tienen menos partes móviles y proporcionan energía rotatoria directamente en lugar de a través de un sistema de biela o medios similares. [41] Las turbinas de vapor reemplazaron virtualmente a los motores alternativos en las estaciones generadoras de electricidad a principios del siglo XX, donde su eficiencia, mayor velocidad apropiada para el servicio del generador y rotación suave eran ventajas. Hoy en día la mayor parte de la energía eléctricaes proporcionada por turbinas de vapor. En los Estados Unidos, el 90% de la energía eléctrica se produce de esta manera utilizando una variedad de fuentes de calor. [2] Las turbinas de vapor se aplicaron ampliamente para la propulsión de grandes barcos durante la mayor parte del siglo XX.

Desarrollo actual [ editar ]

Aunque la máquina de vapor alternativo ya no tiene un uso comercial generalizado, varias empresas están explorando o explotando el potencial del motor como alternativa a los motores de combustión interna. La empresa Energiprojekt AB de Suecia ha avanzado en el uso de materiales modernos para aprovechar la potencia del vapor. La eficiencia de la máquina de vapor de Energiprojekt alcanza un 27-30% en motores de alta presión. Es un motor de un solo paso, 5 cilindros (sin compuesto) con vapor sobrecalentado y consume aprox. 4 kg (8,8 libras) de vapor por kWh. [42] [ verificación fallida ]

Componentes y accesorios de máquinas de vapor [ editar ]

Hay dos componentes fundamentales de una planta de vapor: la caldera o generador de vapor , y la "unidad de motor", que se denomina a sí misma una "máquina de vapor". Las máquinas de vapor estacionarias en edificios fijos pueden tener la caldera y el motor en edificios separados a cierta distancia. Para uso portátil o móvil, como locomotoras de vapor , los dos se montan juntos. [43] [44]

El motor alternativo ampliamente utilizado típicamente consistía en un cilindro de hierro fundido, pistón, biela y viga o una manivela y volante, y varios enlaces. El vapor fue suministrado y expulsado alternativamente por una o más válvulas. El control de velocidad era automático, usando un gobernador o por una válvula manual. La fundición del cilindro contenía puertos de escape y suministro de vapor.

Los motores equipados con un condensador son de un tipo diferente a los que emiten a la atmósfera.

A menudo hay otros componentes presentes; bombas (como un inyector ) para suministrar agua a la caldera durante el funcionamiento, condensadores para recircular el agua y recuperar el calor latente de vaporización, y recalentadores para elevar la temperatura del vapor por encima de su punto de vapor saturado, y varios mecanismos para aumentar la calado para cámaras de combustión. Cuando se usa carbón, se puede incluir un mecanismo de alimentación de cadena o tornillo y su motor de accionamiento o motor para mover el combustible desde un depósito de suministro (búnker) a la cámara de combustión. [45]

Fuente de calor [ editar ]

El calor requerido para hervir el agua y elevar la temperatura del vapor se puede derivar de varias fuentes, más comúnmente de la quema de materiales combustibles con un suministro adecuado de aire en un espacio cerrado (por ejemplo, cámara de combustión , cámara de combustión , horno ). En el caso de máquinas de vapor en miniatura o de juguete y algunas cajas a escala real, la fuente de calor puede ser un elemento calefactor eléctrico .

Calderas [ editar ]

Una caldera industrial utilizada para una máquina de vapor estacionaria.

Las calderas son recipientes a presión que contienen agua para hervir y características que transfieren el calor al agua de la manera más eficaz posible.

Los dos tipos más comunes son:

  1. Caldera de tubo de agua : el agua pasa a través de tubos rodeados de gas caliente.
  2. caldera de tubo de fuego : el gas caliente pasa a través de tubos sumergidos en agua, la misma agua también circula en una camisa de agua que rodea la cámara de combustión y, en las calderas de locomotoras de alto rendimiento, también pasa a través de tubos en la propia cámara de combustión (sifones térmicos y circuladores de seguridad )

Las calderas de tubo de fuego fueron el tipo principal utilizado para el vapor de alta presión temprano (práctica típica de locomotoras de vapor), pero fueron en gran medida desplazadas por calderas de tubo de agua más económicas a fines del siglo XIX para propulsión marina y grandes aplicaciones estacionarias.

Muchas calderas elevan la temperatura del vapor después de que ha salido de esa parte de la caldera donde está en contacto con el agua. Conocido como sobrecalentamiento , convierte el " vapor húmedo " en " vapor sobrecalentado ". Evita la condensación de vapor en los cilindros del motor y proporciona una eficiencia significativamente mayor . [46] [47]

Unidades motoras [ editar ]

En una máquina de vapor, un pistón o turbina de vapor o cualquier otro dispositivo similar para realizar trabajo mecánico toma un suministro de vapor a alta presión y temperatura y emite un suministro de vapor a menor presión y temperatura, utilizando la mayor parte de la diferencia de vapor. energía como sea posible para hacer trabajo mecánico.

Estas "unidades motoras" a menudo se denominan "máquinas de vapor" por derecho propio. Los motores que utilizan aire comprimido u otros gases se diferencian de los motores de vapor solo en detalles que dependen de la naturaleza del gas, aunque el aire comprimido se ha utilizado en los motores de vapor sin cambios. [47]

Fregadero frío [ editar ]

Como ocurre con todos los motores térmicos, la mayor parte de la energía primaria debe emitirse como calor residual a una temperatura relativamente baja. [48]

El fregadero frío más simple es ventilar el vapor al medio ambiente. Esto se usa a menudo en locomotoras de vapor para evitar el peso y el volumen de los condensadores. Parte del vapor liberado se expulsa por la chimenea para aumentar la extracción del fuego, lo que aumenta en gran medida la potencia del motor, pero reduce la eficiencia.

A veces, el calor residual del motor es útil en sí mismo y, en esos casos, se puede obtener una eficiencia general muy alta.

Los motores de vapor de las centrales eléctricas estacionarias utilizan condensadores de superficie como disipadores de frío. Los condensadores se enfrían mediante el flujo de agua de océanos, ríos, lagos y, a menudo, mediante torres de enfriamiento que evaporan el agua para eliminar la energía de enfriamiento. El agua caliente condensada resultante ( condensado ) se bombea de nuevo a presión y se envía de regreso a la caldera. Una torre de enfriamiento de tipo seco es similar a un radiador de automóvil y se usa en lugares donde el agua es costosa. El calor residual también puede ser expulsado por torres de enfriamiento evaporativo (húmedo), que utilizan un circuito de agua externo secundario que evapora parte del flujo al aire.

Los barcos fluviales utilizaron inicialmente un condensador de chorro en el que se inyecta agua fría del río en el vapor de escape del motor. Mezcla de agua de refrigeración y condensado. Si bien esto también se aplicó para los buques de navegación marítima, generalmente después de solo unos pocos días de operación, la caldera se recubría con sal depositada, lo que reducía el rendimiento y aumentaba el riesgo de explosión de la caldera. A partir de 1834, el uso de condensadores de superficie en los barcos eliminó el ensuciamiento de las calderas y mejoró la eficiencia del motor. [49]

El agua evaporada no se puede utilizar para fines posteriores (que no sean la lluvia en algún lugar), mientras que el agua del río se puede reutilizar. En todos los casos, el agua de alimentación de la caldera de la planta de vapor, que debe mantenerse pura, se mantiene separada del agua de refrigeración o del aire.

Un inyector utiliza un chorro de vapor para forzar el ingreso de agua a la caldera. Los inyectores son ineficaces pero lo suficientemente simples como para ser adecuados para su uso en locomotoras.

Bomba de agua [ editar ]

La mayoría de las máquinas de vapor tienen un medio para suministrar agua a la caldera mientras están a presión, de modo que puedan funcionar de forma continua. Las calderas industriales y de servicios públicos suelen utilizar bombas centrífugas de etapas múltiples ; sin embargo, se utilizan otros tipos. Otro medio para suministrar agua de alimentación de caldera a baja presión es un inyector , que utiliza un chorro de vapor que generalmente se suministra desde la caldera. Los inyectores se hicieron populares en la década de 1850, pero ya no se utilizan mucho, excepto en aplicaciones como las locomotoras de vapor. [50] Es la presurización del agua que circula a través de la caldera de vapor lo que permite que el agua se eleve a temperaturas muy por encima de los 100 ° C (212 ° F) del punto de ebullición del agua a una presión atmosférica, y de ese modo aumentar la eficiencia del ciclo de vapor.

Seguimiento y control [ editar ]

Instrumento indicador de Richard de 1875. Ver: Diagrama indicador (abajo)

Por razones de seguridad, casi todas las máquinas de vapor están equipadas con mecanismos para controlar la caldera, como un manómetro y una mirilla para controlar el nivel del agua.

Muchos motores, estacionarios y móviles, también están equipados con un gobernador para regular la velocidad del motor sin necesidad de interferencia humana.

El instrumento más útil para analizar el rendimiento de las máquinas de vapor es el indicador de la máquina de vapor. Las primeras versiones estaban en uso en 1851, [51] pero el indicador de mayor éxito fue desarrollado para el inventor y fabricante de motores de alta velocidad Charles Porter por Charles Richard y exhibido en la Exposición de Londres en 1862. [24] El indicador de la máquina de vapor traza en papel el presión en el cilindro durante todo el ciclo, que se puede utilizar para detectar varios problemas y calcular la potencia desarrollada. [52] Fue utilizado habitualmente por ingenieros, mecánicos e inspectores de seguros. El indicador de motor también se puede utilizar en motores de combustión interna. Vea la imagen del diagrama del indicador a continuación (en la sección Tipos de unidades motoras ).

Regulador centrífugo en el motor 1788 Lap Engine de Boulton & Watt .

Gobernador [ editar ]

El gobernador centrífugo fue adoptado por James Watt para su uso en una máquina de vapor en 1788 después de que el socio de Watt, Boulton, viera uno en el equipo de un molino de harina que Boulton & Watt estaba construyendo. [53] El gobernador en realidad no podría mantener una velocidad establecida, porque asumiría una nueva velocidad constante en respuesta a los cambios de carga. El gobernador pudo manejar variaciones más pequeñas, como las causadas por la carga de calor fluctuante en la caldera. Además, había una tendencia a la oscilación siempre que había un cambio de velocidad. Como consecuencia, los motores equipados solo con este regulador no eran adecuados para operaciones que requieren una velocidad constante, como el hilado de algodón. [54] El gobernador se mejoró con el tiempo y, junto con un corte de vapor variable, se pudo lograr un buen control de velocidad en respuesta a los cambios en la carga a fines del siglo XIX.

Configuración del motor [ editar ]

Motor simple [ editar ]

En un motor simple, o "motor de expansión simple", la carga de vapor pasa a través de todo el proceso de expansión en un cilindro individual, aunque un motor simple puede tener uno o más cilindros individuales. [55] Luego se expulsa directamente a la atmósfera o en un condensador. A medida que el vapor se expande al pasar por un motor de alta presión, su temperatura desciende porque no se agrega calor al sistema; esto se conoce como expansión adiabática y da como resultado que el vapor ingrese al cilindro a alta temperatura y salga a una temperatura más baja. Esto provoca un ciclo de calentamiento y enfriamiento del cilindro con cada carrera, lo que es una fuente de ineficiencia. [56]

La pérdida de eficiencia dominante en las máquinas de vapor recíprocas es la condensación y la reevaporación de los cilindros. El cilindro de vapor y las partes / puertos de metal adyacentes operan a una temperatura aproximadamente a la mitad entre la temperatura de saturación de admisión de vapor y la temperatura de saturación correspondiente a la presión de escape. A medida que se admite vapor a alta presión en el cilindro de trabajo, gran parte del vapor a alta temperatura se condensa como gotas de agua sobre las superficies metálicas, lo que reduce significativamente el vapor disponible para trabajos extensos. Cuando el vapor en expansión alcanza una presión baja (especialmente durante la carrera de escape), las gotas de agua previamente depositadas que se acababan de formar dentro del cilindro / puertos ahora hierven (re-evaporación) y este vapor ya no trabaja en el cilindro. [ cita requerida]

Existen límites prácticos en la relación de expansión de un cilindro de motor de vapor, ya que el aumento de la superficie del cilindro tiende a exacerbar los problemas de condensación y reevaporación del cilindro. Esto niega las ventajas teóricas asociadas con una alta relación de expansión en un cilindro individual. [57]

Motores compuestos [ editar ]

Un método para reducir la magnitud de la pérdida de energía en un cilindro muy largo fue inventado en 1804 por el ingeniero británico Arthur Woolf , quien patentó su motor compuesto de alta presión Woolf en 1805. En el motor compuesto, el vapor de alta presión de la caldera se expande en un cilindro de alta presión (HP) y luego ingresa a uno o más cilindros posteriores de baja presión (LP). La expansión completa del vapor ahora ocurre a través de múltiples cilindros, con la caída de temperatura general dentro de cada cilindro reducida considerablemente. Al expandir el vapor en pasos con un rango de temperatura más pequeño (dentro de cada cilindro), se reduce el problema de eficiencia de condensación y reevaporación (descrito anteriormente). Esto reduce la magnitud del calentamiento y enfriamiento del cilindro, aumentando la eficiencia del motor. Al organizar la expansión en varios cilindros, se pueden reducir las variaciones de par. [17] Para obtener el mismo trabajo de un cilindro de menor presión se requiere un mayor volumen del cilindro, ya que este vapor ocupa un mayor volumen. Por lo tanto, el diámetro interior y, en raras ocasiones, la carrera, aumentan en los cilindros de baja presión, lo que da como resultado cilindros más grandes. [17]

Los motores de doble expansión (generalmente conocidos como compuestos ) expandieron el vapor en dos etapas. Los pares se pueden duplicar o el trabajo del cilindro grande de baja presión se puede dividir con un cilindro de alta presión que se descarga en uno u otro, dando un diseño de tres cilindros donde el diámetro del cilindro y el pistón son aproximadamente iguales, haciendo que el pistón sea alternativo. masas más fáciles de equilibrar. [17]

Los compuestos de dos cilindros se pueden organizar como:

  • Compuestos cruzados : Los cilindros están uno al lado del otro.
  • Compuestos en tándem : los cilindros están de extremo a extremo, impulsando una biela común
  • Compuestos de ángulo : los cilindros están dispuestos en V (generalmente en un ángulo de 90 °) y accionan una manivela común.

Con compuestos de dos cilindros utilizados en trabajos ferroviarios, los pistones están conectados a las manivelas como con un simple de dos cilindros a 90 ° desfasados ​​entre sí (en cuartos ). Cuando se duplica el grupo de doble expansión, produciendo un compuesto de cuatro cilindros, los pistones individuales dentro del grupo generalmente se equilibran a 180 °, y los grupos se fijan a 90 ° entre sí. En un caso (el primer tipo de compuesto de Vauclain ), los pistones trabajaron en la misma fase impulsando una cruceta y una manivela comunes, nuevamente ajustadas a 90 ° como para un motor de dos cilindros. Con la disposición compuesta de tres cilindros, las bielas LP se ajustaron a 90 ° con la HP a 135 ° con respecto a las otras dos, o en algunos casos, las tres bielas se ajustaron a 120 °. [ cita requerida ]

La adopción de compuestos fue común para unidades industriales, para motores de carretera y casi universal para motores marinos después de 1880; no era universalmente popular en las locomotoras de ferrocarril, donde a menudo se percibía como complicado. Esto se debe en parte al duro entorno operativo del ferrocarril y al espacio limitado que ofrece el gálibo de carga (particularmente en Gran Bretaña, donde la composición nunca fue común y no se empleó después de 1930). Sin embargo, aunque nunca en la mayoría, fue popular en muchos otros países. [58]

Motores de expansión múltiple [ editar ]

Una animación de un motor de triple expansión simplificado. El vapor de alta presión (rojo) ingresa desde la caldera y pasa a través del motor, y sale como vapor de baja presión (azul), generalmente a un condensador.

Es una extensión lógica del motor compuesto (descrito anteriormente) dividir la expansión en más etapas para aumentar la eficiencia. El resultado es el motor de expansión múltiple . Dichos motores utilizan tres o cuatro etapas de expansión y se conocen como motores de expansión triple y cuádruple.respectivamente. Estos motores utilizan una serie de cilindros de diámetro que aumenta progresivamente. Estos cilindros están diseñados para dividir el trabajo en partes iguales para cada etapa de expansión. Al igual que con el motor de doble expansión, si el espacio es escaso, se pueden usar dos cilindros más pequeños para la etapa de baja presión. Los motores de expansión múltiple generalmente tenían los cilindros dispuestos en línea, pero se utilizaron varias otras formaciones. A finales del siglo XIX, el "sistema" de equilibrio Yarrow-Schlick-Tweedy se utilizó en algunos motores marinos de triple expansión.. Los motores YST dividieron las etapas de expansión de baja presión entre dos cilindros, uno en cada extremo del motor. Esto permitió que el cigüeñal estuviera mejor equilibrado, lo que resultó en un motor más suave y de respuesta más rápida que funcionaba con menos vibraciones. Esto hizo que el motor de triple expansión de cuatro cilindros fuera popular entre los grandes transatlánticos de pasajeros (como la clase Olympic ), pero finalmente fue reemplazado por el motor de turbina prácticamente libre de vibraciones . [ cita requerida ] Sin embargo, se observa que las máquinas de vapor recíprocas de triple expansión se utilizaron para impulsar los barcos Liberty de la Segunda Guerra Mundial, con mucho, el mayor número de barcos idénticos jamás construidos. Se construyeron más de 2700 barcos, en los Estados Unidos, a partir de un diseño original británico. [ cita requerida ]

La imagen de esta sección muestra una animación de un motor de triple expansión. El vapor viaja a través del motor de izquierda a derecha. La caja de válvulas de cada uno de los cilindros está a la izquierda del cilindro correspondiente. [ cita requerida ]

Las máquinas de vapor terrestres podían expulsar su vapor a la atmósfera, ya que el agua de alimentación solía estar fácilmente disponible. Antes y durante la Primera Guerra Mundial , el motor de expansión dominaba las aplicaciones marinas, donde la alta velocidad de la embarcación no era esencial. Sin embargo, fue reemplazada por la turbina de vapor de invención británica donde se requería velocidad, por ejemplo, en buques de guerra, como los acorazados acorazados y los transatlánticos . El HMS  Dreadnought de 1905 fue el primer buque de guerra importante en reemplazar la tecnología probada del motor alternativo con la entonces novedosa turbina de vapor. [59]

Tipos de unidades motoras [ editar ]

Pistón alternativo [ editar ]

Motor estacionario de doble efecto . Este fue el motor de molino común de mediados del siglo XIX. Observe la válvula de corredera con la parte inferior cóncava, casi en forma de "D".
Diagrama esquemático del indicador que muestra los cuatro eventos en una carrera de doble pistón. Ver: Monitoreo y control (arriba)

En la mayoría de los motores de pistón alternativo, el vapor invierte su dirección de flujo en cada carrera (contraflujo), ingresando y saliendo por el mismo extremo del cilindro. El ciclo completo del motor ocupa una rotación de la manivela y dos carreras de pistón; el ciclo también comprende cuatro eventos : admisión, expansión, escape, compresión. Estos eventos son controlados por válvulas que a menudo funcionan dentro de una cámara de vapor adyacente al cilindro; Las válvulas distribuyen el vapor abriendo y cerrando los puertos de vapor que se comunican con los extremos del cilindro y son accionadas por engranajes de válvulas , de los cuales hay muchos tipos. [ cita requerida ]

Los engranajes de válvulas más simples dan eventos de longitud fija durante el ciclo del motor y, a menudo, hacen que el motor gire en una sola dirección. Sin embargo, muchos tienen un mecanismo de inversión que adicionalmente puede proporcionar medios para ahorrar vapor a medida que se gana velocidad e impulso "acortando gradualmente el corte " o, más bien, acortando el evento de admisión; esto, a su vez, alarga proporcionalmente el período de expansión. Sin embargo, dado que una misma válvula normalmente controla ambos flujos de vapor, un corte corto en la admisión afecta adversamente los períodos de escape y compresión que idealmente siempre deberían mantenerse bastante constantes; si el evento de escape es demasiado breve, la totalidad del vapor de escape no puede evacuar el cilindro, asfixiándolo y dando una compresión excesiva ( "retroceso" ).[60]

En las décadas de 1840 y 1850, hubo intentos de superar este problema por medio de varios engranajes de válvula patentados con una válvula de expansión de corte variable separada montada en la parte posterior de la válvula deslizante principal; este último usualmente tenía un límite fijo o limitado. La configuración combinada proporcionó una aproximación justa de los eventos ideales, a expensas de una mayor fricción y desgaste, y el mecanismo tendió a ser complicado. La solución de compromiso habitual ha sido proporcionar vueltasalargando las superficies de fricción de la válvula de tal manera que solapen el orificio del lado de admisión, con el efecto de que el lado de escape permanece abierto durante un período más largo después de que se haya producido el corte en el lado de admisión. Desde entonces, este recurso se ha considerado generalmente satisfactorio para la mayoría de los propósitos y hace posible el uso de los movimientos más sencillos de Stephenson , Joy y Walschaerts . Corliss , y más tarde, los engranajes de válvulas de asiento tenían válvulas de admisión y escape separadas impulsadas por mecanismos de disparo o levas.perfilado para dar eventos ideales; la mayoría de estos engranajes nunca tuvieron éxito fuera del mercado estacionario debido a varios otros problemas que incluyen fugas y mecanismos más delicados. [58] [61]

Compresión [ editar ]

Antes de que la fase de escape esté completamente completa, el lado de escape de la válvula se cierra, cerrando una parte del vapor de escape dentro del cilindro. Esto determina la fase de compresión donde se forma un colchón de vapor contra el cual el pistón trabaja mientras su velocidad disminuye rápidamente; además, evita el choque de presión y temperatura, que de otro modo sería causado por la admisión repentina del vapor de alta presión al comienzo del ciclo siguiente. [ cita requerida ]

Líder [ editar ]

Los efectos anteriores se mejoran aún más al proporcionar plomo : como se descubrió más tarde con el motor de combustión interna , se ha encontrado ventajoso desde finales de la década de 1830 para avanzar en la fase de admisión, dando a la válvula el plomo de modo que la admisión se produzca un poco antes del final de la carrera de escape para llenar el espacio libre que comprende los puertos y los extremos del cilindro (no parte del volumen barrido por el pistón) antes de que el vapor comience a ejercer un esfuerzo sobre el pistón. [62]

Motor uniforme (o sin flujo) [ editar ]

Animación esquemática de una máquina de vapor uniflow .
Las válvulas de asiento están controladas por el árbol de levas giratorio en la parte superior. El vapor de alta presión entra, rojo, y sale, amarillo.

Los motores Uniflow intentan remediar las dificultades que surgen del ciclo de contraflujo habitual donde, durante cada carrera, el puerto y las paredes del cilindro se enfriarán por el vapor de escape que pasa, mientras que el vapor de admisión entrante más caliente desperdiciará parte de su energía en restaurar el funcionamiento. la temperatura. El objetivo del uniflow es remediar este defecto y mejorar la eficiencia proporcionando un puerto adicional descubierto por el pistón al final de cada carrera haciendo que el vapor fluya solo en una dirección. De esta manera, el motor uniflow de expansión simple brinda una eficiencia equivalente a la de los sistemas compuestos clásicos con la ventaja adicional de un rendimiento superior a carga parcial y una eficiencia comparable a las turbinas para motores más pequeños de menos de mil caballos de fuerza. Sin embargo,el gradiente de expansión térmica que producen los motores uniflow a lo largo de la pared del cilindro presenta dificultades prácticas.[ cita requerida ] .

Motores de turbina [ editar ]

Un rotor de una turbina de vapor moderna , utilizada en una planta de energía

Una turbina de vapor consta de uno o más rotores (discos giratorios) montados en un eje de transmisión, alternando con una serie de estatores (discos estáticos) fijados a la carcasa de la turbina. Los rotores tienen una disposición de palas en forma de hélice en el borde exterior. El vapor actúa sobre estas palas, produciendo un movimiento giratorio. El estator consta de una serie de palas similar, pero fija, que sirven para redirigir el flujo de vapor a la siguiente etapa del rotor. Una turbina de vapor a menudo se descarga en un condensador de superficie.que proporciona un vacío. Las etapas de una turbina de vapor se organizan típicamente para extraer el trabajo potencial máximo de una velocidad y presión específicas de vapor, dando lugar a una serie de etapas de alta y baja presión de tamaño variable. Las turbinas solo son eficientes si giran a una velocidad relativamente alta, por lo que generalmente están conectadas a engranajes reductores para impulsar aplicaciones de menor velocidad, como la hélice de un barco. En la gran mayoría de las grandes centrales eléctricas, las turbinas están conectadas directamente a los generadores sin engranajes reductores. Las velocidades típicas son 3600 revoluciones por minuto (RPM) en los Estados Unidos con una potencia de 60 Hertz y 3000 RPM en Europa y otros países con sistemas de energía eléctrica de 50 Hertz. En aplicaciones de energía nuclear, las turbinas generalmente funcionan a la mitad de estas velocidades, 1800 RPM y 1500 RPM.Un rotor de turbina también solo es capaz de proporcionar energía cuando gira en una dirección. Por lo tanto, generalmente se requiere una etapa de inversión o caja de cambios cuando se requiere potencia en la dirección opuesta.[ cita requerida ]

Las turbinas de vapor proporcionan fuerza de rotación directa y, por lo tanto, no requieren un mecanismo de enlace para convertir el movimiento alternativo en giratorio. Por lo tanto, producen fuerzas de rotación más suaves en el eje de salida. Esto contribuye a un menor requisito de mantenimiento y un menor desgaste de la maquinaria que impulsan que un motor alternativo comparable. [ cita requerida ]

Turbinia - el primerbarco propulsado por turbina de vapor

El uso principal de las turbinas de vapor es la generación de electricidad (en la década de 1990, aproximadamente el 90% de la producción eléctrica mundial era mediante el uso de turbinas de vapor) [2], sin embargo, la reciente aplicación generalizada de grandes unidades de turbinas de gas y centrales eléctricas de ciclo combinado típicas ha resultado en la reducción de este porcentaje al régimen del 80% para turbinas de vapor. En la producción de electricidad, la alta velocidad de rotación de la turbina coincide bien con la velocidad de los generadores eléctricos modernos, que normalmente están conectados directamente a sus turbinas impulsoras. En servicio marítimo, (pionera en el Turbinia), las turbinas de vapor con engranajes reductores (aunque el Turbinia tiene turbinas directas a hélices sin caja de cambios reductora) dominaron la propulsión de grandes barcos a lo largo del siglo XX, siendo más eficientes (y requiriendo mucho menos mantenimiento) que las máquinas de vapor recíprocas. En las últimas décadas, los motores diesel alternativos y las turbinas de gas han reemplazado casi por completo la propulsión a vapor para aplicaciones marinas. [ cita requerida ]

Prácticamente todas las plantas de energía nuclear generan electricidad calentando agua para proporcionar vapor que impulsa una turbina conectada a un generador eléctrico . Los barcos y submarinos de propulsión nuclear utilizan una turbina de vapor directamente para la propulsión principal, con generadores que proporcionan energía auxiliar, o bien emplean una transmisión turboeléctrica , donde el vapor impulsa un grupo turbogenerador con propulsión proporcionada por motores eléctricos. Se fabricó un número limitado de locomotoras de ferrocarril con turbinas de vapor . Algunas locomotoras de propulsión directa sin condensación tuvieron cierto éxito en las operaciones de transporte de mercancías de larga distancia en Suecia y en el trabajo expreso de pasajeros en Gran Bretaña., pero no se repitieron. En otros lugares, especialmente en los Estados Unidos, se construyeron experimentalmente diseños más avanzados con transmisión eléctrica, pero no se reprodujeron. Se descubrió que las turbinas de vapor no se adaptaban idealmente al entorno ferroviario y estas locomotoras no lograron superar a la clásica unidad de vapor alternativo de la forma en que lo ha hecho la tracción moderna diesel y eléctrica. [ cita requerida ]

Funcionamiento de una simple máquina de vapor de cilindro oscilante

Motores de vapor de cilindro oscilante [ editar ]

Una máquina de vapor de cilindro oscilante es una variante de la máquina de vapor de expansión simple que no requiere válvulas para dirigir el vapor hacia adentro y hacia afuera del cilindro. En lugar de válvulas, todo el cilindro se balancea u oscila, de manera que uno o más orificios en el cilindro se alinean con los orificios en una cara de puerto fija o en el montaje de pivote ( muñón ). Estos motores se utilizan principalmente en juguetes y maquetas, por su sencillez, pero también se han utilizado en motores de trabajo de tamaño completo, principalmente en barcos donde se valora su compacidad. [63]

Motores de vapor rotativos [ editar ]

Es posible utilizar un mecanismo basado en un motor rotativo sin pistón , como el motor Wankel, en lugar de los cilindros y el engranaje de válvulas de una máquina de vapor alternativo convencional. Se han diseñado muchos de estos motores, desde la época de James Watt hasta el día de hoy, pero se construyeron relativamente pocos y aún menos se produjeron en cantidades; consulte el enlace al final del artículo para obtener más detalles. El principal problema es la dificultad de sellar los rotores para hacerlos herméticos al vapor frente al desgaste y la expansión térmica ; la fuga resultante los hizo muy ineficientes. La falta de trabajo expansivo, o cualquier medio de control del corte , también es un problema serio con muchos de estos diseños. [cita requerida ]

En la década de 1840, estaba claro que el concepto tenía problemas inherentes y los motores rotativos fueron tratados con cierta burla en la prensa técnica. Sin embargo, la llegada de la electricidad a la escena y las ventajas obvias de conducir una dínamo directamente desde un motor de alta velocidad, llevaron a un renacimiento del interés en las décadas de 1880 y 1890, y algunos diseños tuvieron cierto éxito limitado. [ cita requerida ] .

De los pocos diseños que se fabricaron en cantidad, destacan los de Hult Brothers Rotary Steam Engine Company de Estocolmo, Suecia, y el motor esférico de Beauchamp Tower . Los motores de Tower fueron utilizados por el Great Eastern Railway para impulsar dínamos de iluminación en sus locomotoras, y por el Almirantazgo para conducir dínamos a bordo de los barcos de la Royal Navy . Finalmente fueron reemplazados en estas aplicaciones de nicho por turbinas de vapor. [ cita requerida ]

Un eolípilo gira debido al vapor que se escapa de los brazos. No se hizo ningún uso práctico de este efecto. [ cita requerida ]

Tipo de cohete [ editar ]

El aeolipile representa el uso de vapor por el principio de reacción del cohete , aunque no para la propulsión directa. [ cita requerida ]

En tiempos más modernos ha habido un uso limitado de vapor para cohetes, particularmente para cohetes. La cohetería de vapor funciona llenando un recipiente a presión con agua caliente a alta presión y abriendo una válvula que conduce a una boquilla adecuada. La caída de presión hierve inmediatamente parte del agua y el vapor sale a través de una boquilla, creando una fuerza propulsora. [64]

El carruaje de Ferdinand Verbiest fue impulsado por un eolipile en 1679. [ cita requerida ]

Seguridad [ editar ]

Las máquinas de vapor poseen calderas y otros componentes que son recipientes a presión que contienen una gran cantidad de energía potencial. Los escapes de vapor y las explosiones de calderas (típicamente BLEVE ) pueden y han causado en el pasado grandes pérdidas de vidas. Si bien pueden existir variaciones en los estándares en diferentes países, se aplican estrictas leyes, pruebas, capacitación, cuidado con la fabricación, operación y certificación para garantizar la seguridad. [ cita requerida ]

Los modos de falla pueden incluir:

  • sobrepresurización de la caldera
  • agua insuficiente en la caldera que causa sobrecalentamiento y falla del recipiente
  • Acumulación de sedimentos y escamas que causan puntos calientes locales, especialmente en embarcaciones fluviales que utilizan agua de alimentación sucia.
  • falla del recipiente a presión de la caldera debido a una construcción o mantenimiento inadecuados.
  • escape de vapor de las tuberías / calderas que provocan quemaduras

Las máquinas de vapor suelen poseer dos mecanismos independientes para garantizar que la presión en la caldera no suba demasiado; uno puede ser ajustado por el usuario, el segundo está diseñado típicamente como un dispositivo a prueba de fallas definitivo. Estas válvulas de seguridad usaban tradicionalmente una simple palanca para inmovilizar una válvula de tapón en la parte superior de una caldera. Un extremo de la palanca llevaba un peso o resorte que restringía la válvula contra la presión del vapor. Los conductores de motores podían ajustar las primeras válvulas, lo que provocaba muchos accidentes cuando un conductor ajustaba la válvula hacia abajo para permitir una mayor presión de vapor y más potencia del motor. El tipo más reciente de válvula de seguridad usa una válvula de resorte ajustable, que está bloqueada de manera que los operadores no puedan alterar su ajuste a menos que un sello esté roto ilegalmente. Esta disposición es considerablemente más segura.[ cita requerida ]

Puede haber tapones fusibles de plomo en la corona de la cámara de combustión de la caldera. Si el nivel del agua desciende, de manera que la temperatura de la corona de la cámara de combustión aumenta significativamente, el plomo se derrite y el vapor se escapa, advirtiendo a los operadores, que luego pueden sofocar manualmente el fuego. Excepto en las calderas más pequeñas, la salida de vapor tiene poco efecto sobre la amortiguación del fuego. Los tapones también son demasiado pequeños en el área para reducir la presión de vapor significativamente, despresurizando la caldera. Si fueran más grandes, el volumen de vapor que escapaba en sí mismo pondría en peligro a la tripulación. [ cita requerida ]

Ciclo de vapor [ editar ]

Diagrama de flujo de los cuatro dispositivos principales utilizados en el ciclo de Rankine . 1). Bomba de agua de alimentación 2). Caldera o generador de vapor 3). Turbina o motor 4). Condensador; donde Q = calor y W = trabajo. La mayor parte del calor se desecha como desperdicio.

El ciclo de Rankine es el sustento termodinámico fundamental de la máquina de vapor. El ciclo es una disposición de componentes que se usa típicamente para la producción de energía simple, y utiliza el cambio de fase del agua (agua hirviendo produciendo vapor, condensando vapor de escape, produciendo agua líquida)) para proporcionar un sistema práctico de conversión de calor / energía. El calor se suministra externamente a un circuito cerrado con parte del calor agregado que se convierte en trabajo y el calor residual se elimina en un condensador. El ciclo Rankine se utiliza en prácticamente todas las aplicaciones de producción de energía de vapor. En la década de 1990, los ciclos de vapor de Rankine generaban alrededor del 90% de toda la energía eléctrica utilizada en todo el mundo, incluida prácticamente toda la energía solar , de biomasa , carbón y nuclear. plantas de energía . Lleva el nombre de William John Macquorn Rankine , un erudito escocés . [ cita requerida ]

El ciclo de Rankine a veces se denomina ciclo de Carnot práctico porque, cuando se usa una turbina eficiente, el diagrama TS comienza a parecerse al ciclo de Carnot. La principal diferencia es que la adición de calor (en la caldera) y el rechazo (en el condensador) son procesos isobáricos (presión constante) en el ciclo Rankine e isotérmicos ( temperatura constante) procesos en el ciclo teórico de Carnot. En este ciclo, se utiliza una bomba para presurizar el fluido de trabajo que se recibe del condensador como líquido, no como gas. Bombear el fluido de trabajo en forma líquida durante el ciclo requiere una pequeña fracción de la energía para transportarlo en comparación con la energía necesaria para comprimir el fluido de trabajo en forma gaseosa en un compresor (como en el ciclo de Carnot ). El ciclo de una máquina de vapor alternativa difiere del de las turbinas debido a la condensación y la reevaporación que se producen en el cilindro o en los conductos de entrada de vapor. [56]

El fluido de trabajo en un ciclo Rankine puede operar como un sistema de circuito cerrado, donde el fluido de trabajo se recicla continuamente, o puede ser un sistema de "circuito abierto", donde el vapor de escape se libera directamente a la atmósfera, y una fuente de agua separada. Se suministra alimentación de la caldera. Normalmente, el agua es el fluido de elección debido a sus propiedades favorables, como la química no tóxica y no reactiva, la abundancia, el bajo costo y sus propiedades termodinámicas . El mercurio es el fluido de trabajo en la turbina de vapor de mercurio . Los hidrocarburos de bajo punto de ebullición se pueden utilizar en un ciclo binario . [ cita requerida ]

La máquina de vapor contribuyó mucho al desarrollo de la teoría termodinámica; sin embargo, las únicas aplicaciones de la teoría científica que influyeron en la máquina de vapor fueron los conceptos originales de aprovechar el poder del vapor y la presión atmosférica y el conocimiento de las propiedades del calor y el vapor. Las mediciones experimentales realizadas por Watt en un modelo de máquina de vapor llevaron al desarrollo del condensador independiente. Watt descubrió de forma independiente el calor latente , que fue confirmado por el descubridor original Joseph Black , quien también asesoró a Watt sobre procedimientos experimentales. Watt también fue consciente del cambio en el punto de ebullición del agua con la presión. De lo contrario, las mejoras al motor en sí fueron de naturaleza más mecánica. [13]Los conceptos termodinámicos del ciclo de Rankine dieron a los ingenieros la comprensión necesaria para calcular la eficiencia, lo que ayudó al desarrollo de las modernas calderas de alta presión y temperatura y la turbina de vapor. [ cita requerida ]

Eficiencia [ editar ]

La eficiencia del ciclo de un motor se puede calcular dividiendo la producción de energía del trabajo mecánico que produce el motor por la energía que ingresa al motor al quemar combustible. [ cita requerida ]

La medida histórica de la eficiencia energética de una máquina de vapor fue su "deber". El concepto de deber fue introducido por primera vez por Watt para ilustrar cuánto más eficientes eran sus motores sobre los diseños anteriores de Newcomen . El deber es la cantidad de libras-pie de trabajo que se obtienen al quemar un bushel (94 libras) de carbón. Los mejores ejemplos de diseños de Newcomen tenían un impuesto de alrededor de 7 millones, pero la mayoría se acercaba a los 5 millones. Los diseños originales de baja presión de Watt fueron capaces de cumplir con un rendimiento de hasta 25 millones, pero promediaron alrededor de 17. Esta fue una mejora tres veces mayor que el diseño promedio de Newcomen. Los primeros motores Watt equipados con vapor a alta presión mejoraron esto a 65 millones. [sesenta y cinco]

Ningún motor térmico puede ser más eficiente que el ciclo de Carnot , en el que el calor se mueve de un depósito de alta temperatura a uno a baja temperatura, y la eficiencia depende de la diferencia de temperatura. Para lograr la mayor eficiencia, las máquinas de vapor deben funcionar a la temperatura de vapor más alta posible ( vapor sobrecalentado ) y liberar el calor residual a la temperatura más baja posible. [ cita requerida ]

La eficiencia de un ciclo Rankine generalmente está limitada por el fluido de trabajo. Sin que la presión alcance niveles supercríticos para el fluido de trabajo, el rango de temperatura sobre el que puede operar el ciclo es pequeño; en las turbinas de vapor, las temperaturas de entrada a la turbina son típicamente 565 ° C (el límite de fluencia del acero inoxidable) y las temperaturas del condensador son alrededor de 30 ° C. Esto da una eficiencia teórica de Carnot de alrededor del 63% en comparación con una eficiencia real del 42% para una central eléctrica moderna de carbón. Esta baja temperatura de entrada a la turbina (en comparación con una turbina de gas ) es la razón por la que el ciclo Rankine se utiliza a menudo como un ciclo de fondo en las centrales eléctricas de turbinas de gas de ciclo combinado . [ cita requerida]

Una ventaja principal que tiene el ciclo Rankine sobre otros es que durante la etapa de compresión se requiere relativamente poco trabajo para impulsar la bomba, el fluido de trabajo se encuentra en su fase líquida en este punto. Al condensar el fluido, el trabajo requerido por la bomba consume solo del 1% al 3% de la potencia de la turbina (o motor alternativo) y contribuye a una eficiencia mucho mayor para un ciclo real. El beneficio de esto se pierde algo debido a la menor temperatura de adición de calor. Las turbinas de gas , por ejemplo, tienen temperaturas de entrada a la turbina que se acercan a los 1500 ° C. No obstante, las eficiencias de los grandes ciclos de vapor reales y las grandes turbinas de gas de ciclo simple modernas están bastante bien adaptadas. [ cita requerida ]

En la práctica, un ciclo de motor de vapor alternativo que expulsa el vapor a la atmósfera generalmente tendrá una eficiencia (incluida la caldera) en el rango del 1 al 10%, pero con la adición de un condensador, válvulas Corliss, expansión múltiple y alta presión de vapor. / temperatura, puede mejorar mucho, históricamente en el rango de 10-20%, y muy raramente un poco más alta. [ cita requerida ]

Una central eléctrica grande y moderna (que produce varios cientos de megavatios de potencia eléctrica) con recalentamiento de vapor , economizador , etc. logrará una eficiencia en el rango medio del 40%, con las unidades más eficientes acercándose al 50% de eficiencia térmica. [ cita requerida ]

También es posible capturar el calor residual mediante cogeneración en la que el calor residual se utiliza para calentar un fluido de trabajo de punto de ebullición más bajo o como fuente de calor para calefacción urbana a través de vapor saturado a baja presión. [ cita requerida ]

  • Una locomotora de vapor, una GNR N2 Clase No 1744 en Weybourne nr. Sheringham , Norfolk

  • Una bicicleta a vapor de John van de Riet, en Dortmund

  • Camión de bomberos británico tirado por caballos con bomba de agua a vapor

Ver también [ editar ]

  • Ley de Boyle
  • Locomotora compuesta
  • Cilindro
  • Locomotora de vapor con engranajes
  • Historia de los vehículos de carretera a vapor
  • Reportero de Lean's Engine
  • Lista de ferias de vapor
  • Lista de museos de vapor
  • Lista de patentes de tecnología de vapor
  • Vapor en vivo
  • Fogonero mecánico
  • James Rumsey
  • Salomon de Caus
  • Avión de vapor
  • Barco de vapor
  • Coche de vapor
  • Grúa de vapor
  • Energía de vapor durante la Revolución Industrial
  • Pala mecánica
  • Tractor de vapor
  • Triciclo de vapor
  • Todavía motor
  • Cronología de la energía de vapor
  • Motor de tracción

Notas [ editar ]

  1. Este modelo fue construido por Samuel Pemberton entre 1880-1890.
  2. Landes [15] se refiere a la definición de Thurston de un motor y Thurston llama a Newcomen el "primer motor verdadero".

Referencias [ editar ]

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Referencias [ editar ]

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Lectura adicional [ editar ]

  • Thurston, Robert Henry (1878). Una historia del crecimiento de la máquina de vapor . La Serie Científica Internacional. Nueva York: D. Appleton and Company. OCLC  16507415 .

Enlaces externos [ editar ]

  • Motores animados: ilustra una variedad de motores.
  • Howstuffworks - "Cómo funcionan los motores de vapor"
  • Video de la máquina de vapor 1900 a bordo del vaporizador de paletas Unterwalden