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La máquina de vapor

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

 

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