Máquina de vapor para niños
La máquina de vapor es un tipo de motor que transforma el calor del vapor de agua en movimiento. Funciona en dos pasos principales:
- Primero, se calienta agua en un recipiente cerrado llamado caldera hasta que se convierte en vapor. Este vapor se expande y empuja un émbolo dentro de un cilindro. Un mecanismo especial, llamado biela-manivela, convierte el movimiento de ida y vuelta del émbolo en un movimiento de giro. Este giro puede, por ejemplo, mover las ruedas de una locomotora o un generador de electricidad. Cuando el émbolo llega al final de su recorrido, regresa a su posición inicial, expulsando el vapor usado con la ayuda de una rueda pesada que mantiene el movimiento.
- El vapor a presión se controla con válvulas que regulan cuánto vapor entra y sale del cilindro.
La máquina de vapor fue muy importante durante la Revolución Industrial. Ayudó a mover muchas máquinas, como bombas de agua, locomotoras y barcos. Hoy en día, las máquinas de vapor modernas que generan electricidad son diferentes; se llaman turbinas de vapor y funcionan con un flujo continuo de vapor. Las máquinas de vapor más antiguas, con émbolos, ya no se usan mucho, pues han sido reemplazadas por motores eléctricos y motores de combustión interna.
Contenido
¿Cómo evolucionó la máquina de vapor?
Primeros inventos y curiosidades
Desde la Antigua Grecia, se conocía el poder del vapor, aunque al principio solo se usaba para hacer juguetes o efectos especiales en templos.
La primera máquina de vapor de la que se tiene registro fue la Eolípila, creada por Herón de Alejandría en el Egipto romano en el I. Herón fue un matemático e ingeniero griego que describió en su libro Spiritalia seu Pneumatica máquinas que funcionaban con aire, vapor o presión de agua. No se sabe si todas las ideas eran suyas o si recopiló inventos de otros, como su maestro Ctesibio.
Por ejemplo, Herón describió un altar hueco con una figura que "bebía" agua cuando se encendía un fuego debajo, simulando una ofrenda. También ideó un sistema para abrir y cerrar puertas de templos "automáticamente" usando el fuego, e incluso dos "motores a reacción" que hacían girar figuras en un altar.
En 1551, Taqi ad-Din Muhammad ibn Ma'ruf diseñó una máquina de vapor para girar un asador usando un chorro de vapor. En 1601, Giovanni Battista della Porta y en 1615 Salomón de Caus describieron aparatos para subir agua con fuego.
La primera patente documentada de una bomba de agua impulsada por vapor es de Jerónimo de Ayanz y Beaumont en 1606. Se usó con éxito para sacar agua de las minas de plata de Guadalcanal en España. Otro inventor, Giovanni Branca, también dejó ideas sobre máquinas de vapor en 1629.
Todos estos primeros intentos se basaban en la idea de que el vapor podía empujar el agua hacia arriba al aumentar la presión. Estos trabajos se relacionaron con los estudios de científicos como Galileo Galilei, Evangelista Torricelli, Blaise Pascal y Otto von Guericke sobre la presión del aire.
En 1663, Edward Somerset, marqués de Worcester, inventó una máquina similar a la de Caus. Se construyó un modelo cerca de Londres para subir agua a los pisos altos de un castillo. Sin embargo, Somerset no consiguió dinero para producir sus máquinas y murió sin fortuna. Por eso, a menudo se le atribuye la invención a Thomas Savery, quien obtuvo una patente en 1698 para una máquina parecida.
La máquina de Savery se usó en algunas minas inglesas, pero tenía un riesgo: podía explotar si la presión del vapor aumentaba demasiado. Se cuenta que un trabajador, sin saber cómo funcionaba, añadió un peso extra a una válvula de seguridad para que la máquina trabajara más rápido, lo que causó una gran explosión. Este fue uno de los primeros accidentes conocidos con una máquina de vapor.
En 1680, Christiaan Huygens diseñó un aparato con un émbolo que se movía por la contracción del aire caliente al enfriarse. Años después, Denis Papin (1690) reemplazó el aire por vapor de agua y mejoró el diseño, acercándose mucho a la máquina de vapor moderna.
La máquina de expansión de James Watt
James Watt, un inventor escocés, se propuso mejorar la máquina de Newcomen, que era muy ineficiente. Watt descubrió que el cilindro de la máquina se enfriaba mucho al condensar el vapor, lo que hacía que se perdiera mucha energía.
Mientras paseaba, Watt tuvo una idea brillante: si el vapor se condensaba en un recipiente separado, el cilindro principal podría mantenerse caliente. Esto reduciría el consumo de combustible. Sin embargo, desarrollar esta idea fue muy costoso. En 1767, John Roebuck aceptó financiar sus experimentos a cambio de una parte de los beneficios.
En 1768, Watt construyó un modelo que funcionaba bien y obtuvo la patente al año siguiente. Más tarde, Matthew Boulton se unió a Watt, y juntos formaron la empresa Boulton & Watt, que llevó la invención de Watt a la práctica.
La primera máquina de Watt se construyó en 1774. A partir de entonces, Watt siguió mejorando sus máquinas, inventando el paralelogramo de Watt y la máquina de doble efecto, donde el vapor empuja el émbolo por ambos lados, haciendo el movimiento más potente y suave.
¿Para qué se usaron las máquinas de vapor?
Desde principios del siglo XVIII, las máquinas de vapor se usaron para muchas cosas. Al principio, como bombas de agua, y desde 1780, para mover la maquinaria en las fábricas. A principios del siglo XIX, el transporte por tierra y mar también empezó a usar el vapor.
Se dice que los motores de vapor fueron el motor de la Revolución Industrial. Fueron esenciales para mover máquinas en fábricas, molinos, estaciones de bombeo y en el transporte, como locomotoras, barcos y vehículos terrestres. Su uso en la agricultura también ayudó a cultivar más tierra.
Hoy en día, los motores de combustión interna y los motores eléctricos han reemplazado a las máquinas de vapor en muchas aplicaciones, porque son más ligeros y requieren menos mantenimiento. Sin embargo, es importante recordar que gran parte de la electricidad que usamos hoy se genera en centrales eléctricas que utilizan turbinas de vapor. Esto demuestra que la tecnología del vapor sigue siendo muy importante.
Incluso hay un movimiento llamado "Vapor Moderno" que busca nuevas formas de usar el vapor para ser más eficientes y reducir la contaminación.
Las máquinas de vapor se pueden clasificar según su uso:
Usos en lugares fijos
Los motores de vapor estacionarios (que no se mueven) se dividen en dos tipos:
- Motores que paran y cambian de sentido a menudo: como los que se usaban en laminadoras o en barcos.
- Motores que rara vez paran y no necesitan cambiar de sentido: como los de centrales eléctricas, molinos o fábricas.
Las mulas de vapor eran motores estacionarios montados sobre patines que podían transportarse. Se usaban en la industria maderera y podían moverse por sí mismas tirando de un cable anclado a un árbol. También se usaban para mover cabrestantes en barcos.
Un motor portátil es un motor estacionario con ruedas que podía ser transportado por caballos o por otro motor a un lugar diferente, en lugar de estar fijo.
Usos en transporte
Los motores de vapor se usaron para mover muchos tipos de vehículos:
- Marinos: Barco de vapor, yates de vapor.
- Ferroviarios: Locomotora de vapor.
- Agrícolas: Motor de tracción, tractor de vapor.
- Carretera: Furgones, autobuses, triciclos y automóviles de vapor.
- Construcción: Apisonadoras, excavadoras de vapor.
- Militares: Tanques de vapor, catapultas de vapor.
- Espaciales: Cohete de vapor.
Hoy en día, en la mayoría de estas aplicaciones se usan motores de combustión interna por su mayor potencia para su peso, menor mantenimiento y menor tamaño.
¿De qué partes se compone una máquina de vapor?
Una máquina de vapor tiene dos partes principales: la caldera (o generador de vapor) y la unidad que produce el movimiento, que se llama "motor de vapor". Estas partes pueden estar juntas o separadas.
Otros componentes comunes son:
- Bombas (o inyectores) para llevar agua a la caldera.
- Condensadores para enfriar el vapor usado y convertirlo en agua, que se puede reutilizar.
- Recalentadores para calentar el vapor aún más y aumentar la eficiencia.
- Mecanismos para mejorar la combustión del combustible.
Fuente de calor
Una máquina de vapor necesita calor para convertir el agua en vapor. Esta fuente de calor se llama "fuente caliente".
- En las máquinas antiguas, la fuente caliente era el hogar o fogón donde se quemaba carbón u otros combustibles.
- Los combustibles necesitan aire para quemarse.
- También se puede usar calor de reacciones químicas, energía solar, geotérmica, nuclear o calor de otros procesos industriales.
Calderas
Las calderas son recipientes a presión donde se hierve el agua. Tienen mecanismos para transferir el calor al agua.
Los métodos más comunes para calentar el agua en las calderas son:
- Caldera de tubos de agua: El agua circula por tubos rodeados de gases calientes. Una variante es la flash boiler o caldera instantánea, donde una bomba inyecta agua que se convierte rápidamente en vapor.
- Caldera de tubos ardientes: El agua rodea un hogar o tubos por donde pasan los gases calientes. Las locomotoras de vapor suelen usar este tipo.
Algunas calderas también "sobrecalientan" el vapor para que tenga una temperatura aún mayor, lo que aumenta la eficiencia de la máquina.
El motor en sí
El motor de vapor recibe vapor a alta presión y temperatura, y lo expulsa a menor presión y temperatura. La diferencia de energía se convierte en movimiento mecánico.
El motor de vapor suele tener uno o más cilindros con émbolos móviles. El vapor empuja los émbolos, que se mueven de forma lineal y, gracias a un sistema de biela-manivela, este movimiento se convierte en giro. También pueden funcionar con aire comprimido u otros gases.
Fuente fría
Como todas las máquinas que usan calor, las máquinas de vapor producen calor que no se puede aprovechar. La forma más sencilla de deshacerse de este calor es expulsar el vapor al ambiente, como hacían las locomotoras. Para ser más eficientes, se puede usar un condensador que enfría el vapor y lo convierte en agua, que luego se puede reutilizar.
A veces, este "calor residual" se aprovecha para otros fines, como la calefacción de edificios (esto se llama cogeneración), lo que mejora la eficiencia general.
Bomba de agua
Una máquina de vapor necesita un suministro constante de agua para producir vapor. Una bomba es necesaria para llevar agua desde un depósito a la caldera, donde la presión es mucho mayor. Al principio se usaban bombas de émbolo, pero luego se inventaron los inyectores, que eran más prácticos.
- El inyector fue inventado por Henri Giffard en 1858. Funciona usando un chorro de vapor a presión que arrastra el agua fría, la mezcla y la empuja hacia la caldera con una presión mayor.
Control y supervisión
Por seguridad, casi todas las máquinas de vapor tienen mecanismos para controlar la caldera, como manómetros (para medir la presión) e indicadores transparentes para ver el nivel del agua.
Regulador centrífugo
Un regulador centrífugo es un dispositivo que ayuda a mantener la velocidad de un motor constante. Consiste en dos o más masas que giran alrededor de un eje. Cuando el motor gira más rápido, la fuerza centrífuga hace que estas masas se separen del eje. Este movimiento activa un sistema de palancas que, a su vez, controla una válvula que regula la entrada de vapor o combustible al motor, haciendo que vaya más lento si es necesario.
Tipos de motores de vapor
Máquina de expansión simple
En este tipo de máquinas, el vapor solo trabaja una vez dentro del cilindro. Después de empujar el émbolo, el vapor se expulsa a la atmósfera o a un condensador. El calor restante puede usarse para calentar espacios o precalentar el agua de la caldera.
En la mayoría de estas máquinas, el vapor entra y sale del cilindro por el mismo lugar. El ciclo completo del motor tiene cuatro etapas: admisión, expansión, expulsión y compresión. Estas etapas son controladas por válvulas que distribuyen el vapor. Las válvulas más simples hacen que el motor gire en una sola dirección. Sin embargo, existen mecanismos más complejos que permiten ajustar la entrada de vapor para ahorrar energía a ciertas velocidades.
- Compresión
- Antes de que el vapor usado sea expulsado por completo, la válvula de salida se cierra, dejando un poco de vapor dentro del cilindro. Esto crea una "almohada" de vapor que ayuda a frenar el émbolo suavemente y evita un choque brusco cuando entra el vapor de alta presión en el siguiente ciclo.
- Avance de la admisión
- Para mejorar la eficiencia, la admisión de vapor comienza un poco antes de que el émbolo termine su recorrido. Esto asegura que el espacio entre las válvulas y el émbolo se llene de vapor antes de que el émbolo empiece a moverse, aprovechando mejor la energía.
Motores compuestos
Cuando el vapor se expande en un motor de alta presión, su temperatura baja. Esto causa que el cilindro se caliente y enfríe en cada ciclo, lo que reduce la eficiencia.
Para solucionar esto, el ingeniero británico Arthur Woolf inventó en 1804 el motor compuesto. En este motor, el vapor de alta presión de la caldera se expande primero en un cilindro de alta presión (AP) y luego pasa a uno o más cilindros de baja presión (BP). Al dividir la expansión en varias etapas, se reduce el calentamiento y enfriamiento del cilindro, lo que aumenta la eficiencia del motor. Como el vapor expandido ocupa más volumen, los cilindros de baja presión suelen ser más grandes.
Los motores de doble expansión (o compuestos) expanden el vapor en dos etapas. Pueden tener dos cilindros o, a veces, tres, donde un cilindro de alta presión alimenta a dos de baja presión.
Los motores compuestos de dos cilindros pueden tener diferentes configuraciones:
- Compuestos cruzados: Los cilindros están uno al lado del otro.
- Compuestos en tándem: Los cilindros están en línea, moviendo la misma barra.
- Compuestos de ángulo: Los cilindros están a 90 grados y mueven el mismo eje.
Los motores compuestos se hicieron muy comunes en la industria y en casi todos los barcos a partir de 1880. Sin embargo, no fueron tan populares en los ferrocarriles debido a su complejidad y al espacio limitado en los trenes.
Motores de expansión múltiple
Esta es una extensión de los motores compuestos, donde la expansión del vapor se divide en más etapas para aumentar aún más la eficiencia. Estos motores usan tres o cuatro etapas de expansión y se llaman motores de triple o cuádruple expansión. Tienen una serie de cilindros que aumentan de tamaño progresivamente para manejar el mayor volumen del vapor expandido.
A finales del siglo XIX, el sistema de balanceo Yarrow-Schlick-Tweedy se usó en algunos motores marinos de triple expansión. Este sistema dividía las etapas de baja presión en dos cilindros, uno en cada extremo del motor, lo que permitía un mejor equilibrio y menos vibraciones. Esto los hizo populares en barcos de pasajeros, aunque más tarde fueron reemplazados por turbinas, que no tienen casi vibraciones.
Antes y durante la Primera Guerra Mundial, los motores de expansión dominaban las aplicaciones marinas donde la velocidad no era lo más importante. Sin embargo, fueron superados por las turbinas de vapor en barcos de guerra y transatlánticos, donde la velocidad era crucial. El HMS Dreadnought de 1906 fue un barco de guerra muy importante que usó turbinas de vapor en lugar de los motores de émbolo.
Motores de flujo único
Este tipo de motor busca resolver un problema de los motores anteriores: el enfriamiento de las paredes del cilindro por el vapor saliente, lo que reduce la eficiencia. El motor de flujo único evita esto haciendo que el vapor fluya en una sola dirección. El vapor entra por un extremo del cilindro y sale por aberturas en el centro, que son descubiertas por el émbolo al final de su recorrido. Esto mejora la eficiencia térmica.
Los motores de flujo único de expansión simple pueden ser tan eficientes como los sistemas compuestos clásicos y funcionan mejor a altas velocidades. Por eso, se usaron para generar electricidad a finales del siglo XIX antes de la llegada de las turbinas de vapor.
Existen motores de flujo único de simple y doble efecto, e incluso versiones compuestas. Algunos barcos en los Grandes Lagos de Norteamérica todavía usan motores Skinner de flujo único, como el Saint Marys Challenger y el ferri SS Badger.
También se han hecho intentos de modificar motores de combustión interna de dos tiempos para que funcionen con vapor, e incluso motores diésel.
Turbinas de vapor
Una turbina de vapor está formada por una serie de discos giratorios (rotores) con aspas, y discos fijos (estatores) dentro de una carcasa.
El vapor a alta presión actúa sobre las aspas de los rotores, haciéndolos girar. Los estatores redirigen el flujo de vapor hacia la siguiente etapa. Las turbinas de vapor suelen expulsar el vapor a un condensador de superficie que crea un vacío. Las etapas de la turbina se diseñan para extraer la mayor cantidad de energía posible del vapor.
Las turbinas solo son eficientes a muy altas velocidades, por lo que suelen conectarse a una caja reductora para mover mecanismos que funcionan a menor velocidad, como la hélice de un barco. También pueden generar electricidad para motores eléctricos. Una turbina solo gira en una dirección, por lo que si se necesita potencia en la dirección contraria, se añade una etapa de marcha atrás.
Las turbinas de vapor producen un movimiento de giro suave y menos vibraciones que los motores de émbolo, lo que reduce el mantenimiento y el desgaste.
El uso principal de las turbinas de vapor es la generación de electricidad y, en menor medida, en grandes barcos. En ambos casos, la alta velocidad de giro es una ventaja. En los barcos, como el pionero Turbinia, también se valoran su bajo peso, alta eficiencia y potencia.
Prácticamente todas las centrales nucleares generan electricidad calentando agua para producir vapor que mueve una turbina, conectada a un generador eléctrico. Los barcos y submarinos de propulsión nuclear también usan turbinas de vapor para su movimiento principal. Se fabricaron algunas locomotoras de vapor con turbinas, pero no tuvieron mucho éxito en los ferrocarriles.
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Véase también
En inglés: Steam engine Facts for Kids
