Es una máquina que usa el vapor de agua a alta presión para
desplazar un pistón (produciendo así un movimiento mecánico de vaivén), el cual
está conectado a un conjunto de piezas que transforman el movimiento del pistón
en un movimiento circular o rotatorio.
La Máquina de Vapor supuso un gran adelanto tecnológico. Gracias
a esta máquina se pudo crear el ferrocarril, así como diversa maquinaria para la
industria. Su uso se acentuó a lo largo de la Revolución Industrial.
Un poco de historia
El primer motor de pistón fue desarrollado por el físico e
inventor francés Denis Papin y se utilizó para bombear agua. El motor de Papin
contaba con un único cilindro que servía también como caldera. Se colocaba una
pequeña cantidad de agua en la parte inferior del cilindro y se calentaba hasta
que producía vapor. La presión del vapor empujaba un pistón acoplado al
cilindro, tras lo cual se eliminaba la fuente de calor de la parte inferior. A
medida que el cilindro se enfriaba, el vapor se condensaba y la presión del aire
en el exterior del pistón lo empujaba de nuevo hacia abajo.
En 1698 el ingeniero inglés Thomas Savery diseñó una máquina
que utilizaba dos cámaras de cobre que se llenaban de forma alternativa con
vapor producido en una caldera. Esta máquina se utilizó también para bombear
agua.
En 1705, Thomas Newcomen construyó un artilugio que con
propiedad debería llamarse máquina de vapor atmosférica, dado que era la presión
atmosférica la que empujaba el pistón que incidía sobre el cilindro lleno de
vapor, una vez que éste se condensaba mediante un chorro de agua fría creando un
vacío. El motor de Newcomen no era muy eficiente, pero era lo bastante práctico
como para ser utilizado con frecuencia para extraer agua en minas de carbón.
La invención definitiva de la máquina de vapor se atribuye a
James Watt, un fabricante escocés de material científico asentado en Glasgow,
que al tenerse que encargar de la reparación de una máquina de vapor del tipo
atmosférico, se sorprendió ante sus carencias y se dedicó a incorporar mejoras.
El primer invento de Watt fue el diseño de un motor que contaba con una cámara
separada para la condensación del vapor. Esta máquina, patentada en 1769, redujo
los costos de la máquina de Newcomen en un 70% evitando la pérdida de vapor
producida por el calentamiento y enfriamiento cíclicos del cilindro. Watt aisló
el cilindro para que permaneciera a la temperatura del vapor. La cámara de
condensación separada, refrigerada por aire, contaba con una bomba para hacer el
vacío que permitía absorber el vapor del cilindro hacia el condensador. La bomba
se utilizaba también para eliminar el agua de la cámara de condensación. Otra
novedad importante en el desarrollo de Watt fue que el movimiento de vaivén de
los pistones se conseguía mediante la presión del vapor y no mediante la presión
atmosférica. Por otro lado, en la máquina de Watt, el vapor actuaba
alternativamente por ambos lados del émbolo. También instaló válvulas de
mariposa en sus máquinas para limitar la velocidad, además de reguladores que
mantenían de forma automática una velocidad de funcionamiento estable.
En 1769, Cugnot acopló la máquina de vapor a un carruaje, y
en 1775, Perrier a un buque. A principios del siglo XIX Stephenson fue el
primero en aplicar este tipo de máquinas a los ferrocarriles.
La Máquina de Vapor
Representación gráfica de la máquina de vapor
Fig. 1
Partes que forman la Máquina de Vapor (Figura 1)
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. (Figura 2)
Fig. 2
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. (Figura 3)
Fig. 3
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). (Figura 4)
Fig. 4
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.
Finalizando, y como he dicho antes, todo este movimiento de
vaivén es traducido por el Sistema de Transformación de Movimiento compuesto por
la biela (B), la manivela (M) y el volante (V) en un
movimiento rotatorio o circular, que puede ser empleado en diversos fines.
Inconvenientes en el empleo de la Máquina de Vapor
La máquina de vapor no dispone de la potencia ni la
velocidad necesarias para que pueda ser usada en la actualidad.
Requiere un gran espacio para su instalación.
No puede usar eficientemente vapor a elevadas
temperaturas, y por tanto como consecuencia de esto, su potencia es
relativamente baja.
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.
Análisis tecnológico
de la Máquina de Vapor
Elección de materiales
Para la caldera:
Material: para la
fabricación de la caldera emplearía al acero cromado, por su alta resistencia a
altas temperaturas, así como su resistencia a la corrosión. Para evitar el
sobrecalentamiento, emplearía en el interior de la caldera un revestimiento de
material cerámico refractario.
Método de fabricación:
emplearía algún método de moldeo, como el moldeo en arena, por su bajo coste, y
por ser idóneo para la obtención de piezas grandes.
Para el contenedor y el cilindro:
Material: fundición gris,
por su bajo coste, así como por su capacidad de amortiguar las energías de tipo vibracional, así como tener una elevada resistencia al desgaste y a los
esfuerzos de compresión. Además es fácil de moldear.
Método de fabricación: como
en el caso anterior, emplearía algún método de moldeo, como el moldeo por arena,
puesto que es barato e idóneo para la fabricación de piezas de cierta
envergadura.
Para las lumbreras:
Material: acero cromado,
por sus resistencia a elevadas temperaturas, así como por sus facultades
antioxidantes. Además su coste no es excesivamente caro.
Método de fabricación: para
fabricar las lumbreras emplearía el método de fabricación por extrusión, puesto
que es el idóneo para la fabricación de elementos tubulares.
Para el pistón y la válvula corredera:
Material: fundición
esferoidal, ya que posee ciertas propiedades similares a la fundición gris, así
como tener unas ser más resistentes y dúctiles que éstas. Además, presenta
propiedades mecánicas parecidas al acero.
Método de fabricación: para
el disco del pistón emplearía la forja, y para la barra la extrusión. En el caso
de la válvula corredera emplearía la forja o algún tipo de moldeo.
Para la barra de la válvula corredera:
Material: acero cromado,
por su resistencia a la corrosión así como a las elevadas temperaturas.
Método de fabricación: por
extrusión, ya que el método idóneo para construir una barra de metal.
Para la biela, el resorte, las manivelas de cambio, la
manivela y el volante:
Material: fundición
esferoidal, por su alta dureza, resistencia la desgaste, coste relativamente
bajo, resistencia a las altas temperaturas, y por tener propiedades mecánicas
similares al acero.
Método de fabricación: por
forja, puesto que se pretende obtener piezas compactas sin formas demasiado
complicadas.
Para la válvula de entrada:
Material: acero cromado,
por su dureza, resistencia a la corrosión asi como a las temperaturas elevadas.
Método de fabricación:
forja, puesto que no es una pieza demasiado grande.
Tratamientos llevados a cabo para la mejora de los
componentes
Para mejorar las propiedades anticorrosivas de los
componentes los sometería a una película de minio así como al tratamiento de
nitruración, ya que además de aumentar su resistencia a la corrosión aumenta la
dureza superficial de los componentes.
Para evitar el desgaste por la ficción de los componentes
del Sistema de Transformación del Movimiento (STM), les aplicaría aceites
lubricantes y anticorrosivos.
Para que el pistón y la válvula corredera deslicen
correctamente, así como la barra de los mismos, deben de estar perfectamente
pulidos por la zona en la que se va a producir el rozamiento.
El contenedor y el cilindro deben estar también pulidos
por la zona en la que se va a deslizar el pistón y la válvula corredera.
Para evitar que la válvula de entrada se atasque, se le
aplicaría aceite lubricante y anticorrosivo.
La unión entre las piezas se hará por soldadura, para
evitar la corrosión. En el caso de la biela, la manivela y el volante, así como
la barra del pistón, la barra de la válvula corredera y las manivelas de cambio,
estarán unidos entre sí mediante ejes de unión lubricados y sometidos al
tratamiento de nitruración.
En el ensamblado y fabricación de los componentes, se
evitará dejar porosidades o zonas aireadas, puesto que favorecerían a la
corrosión.
Ensayos a los que se someterían dichos componentes
Para determinar la eficiencia de la máquina, sometería a
las piezas que rozan entre sí a un ensayo de desgaste por rozamiento.
Para determinar posibles deformaciones y demás por calor,
sometería a la máquina a un ensayo térmico, sometiendo los componentes a
temperaturas elevadas.
Para determinar las capacidades anticorrosivas de los
componentes los sometería a una serie de ensayos químicos, como comprobar los
efectos causados por diversos agentes químicos o la humedad.
Para comprobar la eficiencia de la máquina tras un largo
período de uso, la sometería a un ensayo de tipo vibracional, para determinar si
los componentes se han desajustado, o han sufrido algún tipo de deformación.
Para determinar la presión soportada por el cilindro, las
lumbreras y el contenedor, los sometería a altas presiones, y comprobaría las
deformaciones o desajustes provocados.
Alternativas
Está claro, que como principal alternativa, se podría emplear
para la fabricación de la gran mayoría de los componentes ,como las barras o el
STM, de acero aleado, sobretodo de acero cromado, por la cualidades que ya están
descritas.
En el caso del cilindro, o el contenedor, se puede usar el
aluminio, por su bajo coste, resistencia a la corrosión, y por su facilidad de
mecanizar y por su conductividad térmica.
Para las lumbreras se podría emplear el cobre, por su
conductividad térmica, bajo coste, resistencia relativamente buena puesto que
sólo se oxida en su superficie, así como se maleabilidad, por lo que se pueden
fabricar fácilmente tubos con él.
Autor: Alejandro Maldonado Fuentes |
