Introducción
Máquina de vapor, dispositivo mecánico que convierte la energía del vapor de agua en energía mecánica y que tiene varias aplicaciones en propulsión y generación de electricidad. El principio básico de la máquina de vapor es la transformación de la energía calorífica del vapor de agua en energía mecánica, haciendo que el vapor se expanda y se enfríe en un cilindro equipado con un pistón móvil.
El vapor utilizado en la generación de energía o para calefacción suele producirse dentro de una caldera. La caldera más simple es un depósito cerrado que contiene agua y que se calienta con una llama hasta que el agua se convierte en vapor saturado. Los sistemas domésticos de calefacción cuentan con una caldera de este tipo, pero las plantas de generación de energía utilizan sistemas de diseño más complejo que cuentan con varios dispositivos auxiliares.
La eficiencia de los motores de vapor es baja por lo general, lo que hace que en la mayoría de las aplicaciones de generación de energía se utilicen turbinas de vapor en lugar de máquinas de vapor.
Historia
La máquina de vapor ha sido el motor inicial de la Revolución Industrial que impulsa a la actualidad. En la máquina de vapor se basa la Primera Revolución Industrial que, desde fines del siglo XVIII en Inglaterra y hasta casi mediados del siglo XIX, aceleró portentosamente el desarrollo económico de muchos de los principales países de la Europa Occidental y de los Estados Unidos.
Solo en la interfase que medió entre 1890 y 1930 la máquina a vapor impulsada por hulla dejó lugar a otros motores de combustión interna: aquellos impulsados por hidrocarburos derivados del petróleo.
Muchos han sido los autores que han intentado determinar la fecha de la invención de la máquina de vapor atribuyéndola a tal o cual inventor; intento que había sido en vano, ya que la historia de su desarrollo estaba plagada de nombres propios.
Desde la recopilación de Herón hasta la sofisticada máquina de James Watt, son multitud las mejoras que en Inglaterra y especialmente en el contexto de una incipiente Revolución Industrial en los siglos XVII y XVIII condujeron sin solución de continuidad desde los rudimentarios primeros aparatos sin aplicación práctica a la invención del motor universal que llegó a implantarse en todas las industrias y a utilizarse en el transporte, desplazando los tradicionales motores, como el animal de tiro, el molino o la propia fuerza del hombre.
Jerónimo de Ayanz y Beaumont, militar, pintor, cosmógrafo y músico, pero, sobre todo, inventor español registró en 1606 la primera patente de una máquina de vapor moderna, por lo que se le puede atribuir la invención de la máquina de vapor.
El hecho de que el conocimiento de esta patente sea bastante reciente hace que este dato lo desconozca la gran mayoría de la gente.
Etapas del ciclo de trabajo de la máquina de vapor
– 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, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico.
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.
– 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.
Máquinas de vapor modernas
El funcionamiento de una máquina de vapor moderna convencional se muestra en las figuras 1a-d, que muestran el ciclo de funcionamiento de una máquina de este tipo. En la figura 1a, cuando el pistón se encuentra en el extremo izquierdo del cilindro, el vapor de agua entra por el cabezal de la válvula y a través del orificio hacia la parte izquierda del cilindro.
La posición de la válvula deslizante de corredera permite que el vapor ya utilizado en la parte derecha del pistón escape a través del orificio de expulsión o conducto de salida.
El movimiento del pistón acciona un volante, que a su vez mueve una biela que controla la válvula deslizante. Las posiciones relativas del pistón y la válvula son reguladas por las posiciones relativas de los puntos en que están acoplados el cigüeñal y la biela de la válvula de corredera al volante.
En la segunda posición, que se muestra en la figura 1b, el vapor que se encuentra en la parte izquierda del cilindro se ha expandido y ha desplazado el pistón hacia el punto central del cilindro. Al mismo tiempo, la válvula se ha movido a su posición de cierre de forma que el cilindro queda estanco y no pueden escapar ni el vapor del cilindro ni el de la caja de válvulas.
Según se mueve el pistón hacia la derecha a causa de la presión del vapor en expansión, como se muestra en la figura 1c, la caja de válvulas, que contiene vapor, se conecta al extremo derecho del cilindro. En esta posición la máquina está preparada para iniciar el segundo tiempo del ciclo de doble acción.
Por último, en la cuarta posición, la válvula cubre de nuevo los orificios de ambos extremos del cilindro y el pistón se desplaza hacia la izquierda, empujado por la expansión del vapor en la parte derecha del cilindro.
En las máquinas de vapor de un solo cilindro la máquina se puede detener cuando el pistón se encuentra en uno de los extremos del cilindro.
Si el cilindro se encuentra en esta situación, se dice que el motor está en punto muerto y no se puede arrancar. Para eliminar los puntos muertos, las máquinas cuentan con dos o más cilindros acoplados, dispuestos de tal forma que la máquina puede arrancar con independencia de la posición de los pistones.
La manera más simple de acoplar dos cilindros de una máquina es unir los dos cigüeñales con el volante. Para conseguir un equilibrio mayor se puede utilizar una máquina de tres cilindros en la que las manivelas de los cilindros se colocan en ángulos de 120 grados.
El acoplamiento de los cilindros no sólo elimina las dificultades de arranque sino que permite diseñar plantas de generación con un funcionamiento más fiable.
Los cilindros de una máquina compuesta, al contrario que el de una de un solo cilindro, se pueden mantener próximos a una temperatura uniforme, lo que aumenta la eficiencia de la máquina.
Un avance en el diseño de las máquinas de vapor fue la máquina de flujo unidireccional, que utiliza el pistón como válvula y en la que todas las partes del cilindro permanecen aproximadamente a la misma temperatura cuando la máquina está en funcionamiento.
En estas máquinas el vapor se mueve solamente en una dirección mientras entra en el cilindro, se expande y abandona el cilindro. Este flujo unidireccional se consigue utilizando dos conjuntos de orificios de entrada en cada extremo del cilindro, junto con un único conjunto de orificios de salida en la parte central de la pared del cilindro.
La corriente de vapor que entra por los dos conjuntos de orificios de entrada se controla con válvulas separadas. Las ventajas inherentes a este sistema son muy considerables por lo que este tipo de máquina se utiliza en grandes instalaciones, si bien su coste inicial es mucho mayor que el de las máquinas convencionales.
Una virtud de la máquina de flujo unidireccional es que permite un uso eficiente del vapor a altas presiones dentro de un único cilindro, en lugar de requerir un cilindro compuesto.