LA MÁQUINA DE VAPOR Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica. En esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas: 1. 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. 2. 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. En la actualidad la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares, ya que se ha visto desplazado especialmente por el motor eléctrico en la maquinaria industrial y por el motor de combustión interna en el transporte. 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. Desde muy antiguo, existía un interés importante por elevar agua desde distintos niveles y a la vez descubrir la posibilidad de achicar este mismo agua de las minas para mejorar el trabajo. En este contexto, surgirá el mejor invento del siglo XVIII: la máquina de vapor. La máquina de vapor es un motor térmico, es decir, un motor que transforma el calor en trabajo mecánico. También el trabajo mecánico puede transformarse en calor, existiendo una perfecta equivalencia entre ambas formas de energía. En una máquina de vapor la transformación del calor en trabajo se logra gracias a las propiedades elásticas del vapor de agua. Si se calienta agua en una vasija cerrada, el vapor producido tiende a forzar las paredes de vasija con una presión que aumenta a medida que crece la temperatura. Si conducimos este vapor por medio de una tubería a un cilindro dentro del cual puede moverse un émbolo o pistón, el vapor ejercerá su presión sobre el émbolo el cual correrá dentro del cilindro, desarrollando, de esta manera, un trabajo mecánico Historia 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. La primera máquina se construyó en Kinneil, cerca de Boroughstoness en 1774. A partir de entonces la historia de la máquina de vapor será la de la firma Boulton & Watt, y casi todas las mejoras que se introduzcan en ella serán obra del propio Watt; entre otras, el paralelogramo de Watt, la expansión del vapor, la máquina de doble efecto (en la que el vapor actúa alternativamente sobre ambas caras del pistón), etc. Máquina de vapor de Watt, procedente de la Fábrica Nacional de Moneda y Timbre, expuesta en el vestíbulo de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Madrid. Hay escritos que datan de la época de los egipcios, en los cuales se dice que Herón (quien residía en la ciudad de Alejandría), habló alguna vez sobre lasmáquinas de vapor En estos manuscritos, se describe, existen otros personajes que habrían desarrollado este tipo de máquinas, aparte de los ensayos realizados por el mismo Herón. Pero el inicio de la era de las máquinas de vapor empezó con Eduard Somerst (marqués de Worcester, Inglaterra) en 1663. Basándose en el principio de que si en una botella de agua de plástico metemos vapor de agua y la ceramos, cuando enfriamos el vapor, al condensarse, la botella se aplastaría. Es decir el vapor de agua al enfriarse disminuye la presión. Si la boca de la botella estuviera abierta y en contacto con agua de un recipiente, el agua del recipiente entraría en la botella ascendiendo. Esta disminución de la presión del vapor de agua al enfriarse dio lugar a que Somerst pensará en una máquina capaz de subir agua en los pisos de la construcción. En 1663 presentó su libro "Un siglo de invenciones",donde ya plantea los principios de su máquina a vapor que elevaba volúmenes de agua. El problema es que Somerst no encontró capital suficiente para vender y producir su máquina. Ni siquiera la patento, lo que hace que la mayoría de la gente no le considere el inventor de la máquina. Podríamos considerar a Somerst como el ideólogo (el que tuvo la idea) de la primera máquina de vapor. Elementos principales de la máquina de vapor En general, todos los modelos a escala existentes pueden agruparse en dos sistemas diferenciados de distribución del vapor: de cilindro oscilante y por corredera. Trataremos en los siguientes capítulos de las máquinas de vapor de distribución de vapor por cilindro oscilante. Los órganos principales del artilugio no pueden ser más sencillos: Un cilindro tapado por un extremo en cuyo interior se mueve un émbolo provisto de un vástago que se articula con una manivela, unida ésta por el eje a un volante de inercia: El cilindro y el émbolo están construidos con el mismo material, preferentemente con bronce o latón, que son aleaciones de metales (cobre, estaño y zinc, principalmente) que reúnen cualidades óptimas para las condiciones a las que someten estas piezas: soportan muy bien los golpes de fuego o calor, no se oxidan en contacto con el aire o el agua, son de fácil mecanizado, con mínimo coeficiente de rozamiento, etc. El cilindro es realmente una pieza prismática (sencillamente un paralelepípedo) taladrada a lo largo de su eje principal. Cuenta en una de sus caras con dos orificios, uno para la entrada y salida de vapor y otro para insertar un eje mediante el cual gira u oscila el cilindro sobre su soporte. El émbolo es una pieza cilíndrica con el mismo diámetro que el taladro del cilindro, de forma que se desplaza en el interior de éste ajustadamente. En la cara plana exterior del émbolo se inserta una varilla o vástago, que cuenta en su extremo libre con un orificio. Este conjunto émbolo-vástago lo denominaremos pistón, que se asemeja a la biela de los motores de explosión, con la diferencia de que el pistón de la máquina de vapor oscilante no tiene articulación entre el propio émbolo y su vástago, sino que es una unión fija. La manivela o cigüeñal es el elemento que permite transformar el movimiento de vaivén del pistón en giro. Consta de las siguientes piezas: un brazo excéntrico respecto al eje del cigüeñal que se inserta en el orificio del vástago del pistón, el propio cuerpo del cigüeñal y su eje. El volante de inercia es el elemento que salva la irregularidad de la impulsión del pistón, es decir, permite que la máquina continúe girando en los puntos muertos que se producen en el conjunto pistón-cigüeñal. También tiene la función el volante de mantener una velocidad de giro relativamente constante, ya que la presión de vapor varía dentro del cilindro y por tanto sin este volante la máquina funcionaría a sacudidas. Movimientos de las piezas El recorrido oscilante del cilindro y, por tanto, el giro que realiza su orificio respecto al eje, determina la distancia existente entre los agujeros de entrada y salida de vapor del soporte. La distancia entre los ejes del volante y cilindro dependerá tanto de la separación de los orificios de entrada y salida de vapor como de la excentricidad de la manivela. La excentricidad de la manivela está condicionada al recorrido que efectúa el émbolo dentro del cilindro. La distancia entre los ejes de giro del volante (también el de la manivela) y del cilindro está determinada por la longitud del pistón. Para establecer estas distancias a la hora de diseñar una máquina de vapor, basta con dibujar una sencilla figura geométrica: La base del triángulo isósceles pequeño (b) es la distancia existente entre los orificios de entrada y salida de vapor El lado mayor de este triángulo (a) es la distancia desde el eje del cilindro hasta el centro de cada uno de los citados orificios La semibase del triángulo isósceles grande (d) es la distancia existente entre el eje de la manivela (y volante) y el eje de su brazo, distancia que podemos denominar excentricidad del cigüeñal La altura de este triángulo (c) es la distancia entre los ejes del cilindro y manivela Alternativamente, los orificios de entrada y salida de vapor practicados en el soporte coincidirán con el agujero que tiene el cilindro, que hará enfrentar la posición superior o inferior de la manivela, respectivamente. Corresponden estas posiciones a las fases críticas de admisión y compresión: La máquina no funcionaría si no es por la ayuda del volante de inercia. En la posición (1) entra de lleno vapor al cilindro y desplaza con fuerza al pistón, provocando éste el giro de la manivela y del volante. Inmediatamente después, el volante y manivela han recorrido un ángulo de 90º en el que el pistón y cilindro se posicionan horizontalmente, encontrándose el primero desplazado al exterior. Ya no entra vapor al no coincidir los orificios del soporte y cilindro y, por tanto, finaliza la fase de expansión de vapor. Esta posición (3) es el punto muerto superior que el volante es muy capaz de superar dada la fuerza de impulsión que le ha comunicado anteriormente el pistón. Giran nuevamente el volante y manivela otros 90º y empujan al pistón hacia el interior del cilindro (se inicia la fase de compresión), provocando éste la salida de vapor a través del orificio del cilindro enfrentado con el agujero de salida del soporte (realmente la salida comienza un poco antes, en una posición intermedia entre 2 y 3). También aquí el volante, dado su peso y velocidad de giro (inercia) supera este punto sin problemas. Giran otros 90º el volante y manivela y nuevamente el cilindro y pistón se posicionan horizontalmente, con la diferencia de que esta vez el pistón se encuentra totalmente desplazado hacia el interior del cilindro, por lo que ha expulsado completamente el vapor gastado. Para una mejor descripción de los trabajos de fabricación de las piezas que componen estas máquinas, se diferencia en éstas dos conjuntos de elementos: Elementos estáticos: formados por la base, el hogar, la caldera, el conducto de vapor, la hornilla y el soporte de mecanismos Elementos dinámicos: formados por el cilindro, el pistón, la manivela, el volante de inercia y los ejes Elementos estáticos - Base: Generalmente se construye con una plancha metálica de espesor, forma y dimensiones adecuadas. Dan muy buen resultado, tanto desde el punto de vistaestético como del funcional, las bases construidas con mármol u otro material pétreo. También resultan muy atractivas las máquinas montadas sobre una base de madera, pero en este caso es necesario colocar entre ésta y la máquina una placa de metal que reduzca de alguna forma los efectos del calor sobre la madera. - Hogar: El material que lo compone debe resistir la llama directa. Se construye esta pieza con chapa de aluminio, acero galvanizado o cobre. Y porqué no, incluso se puede realizar el hogar a semejanza de las primeras máquinas de vapor de Newcomen, que eran de albañilería. Para ello emplearemos pequeñas piedras o ladrillos pegados con algún tipo de masilla o adhesivo resistente al calor. Existe en el mercado un mortero sellante refractario que se utiliza en las chimeneas o cocinas de leña y que es idóneo para este fin. - Caldera: Según los modelos, está fabricada en acero inoxidable o cobre. Para reparar o construir calderas es más práctico y económico este último material. En los almacenes de fontanería existen tubos de cobre rígido de diámetros variables, siendo apropiados los de 35 y 54 mm. Para las tapas de la caldera se pueden usar bridas ciegas para los diámetros citados, pero son muy caras, por lo que se pueden fabricar coronas adaptables a estos tubos a partir de chapa de cobre dúctil. Por ejemplo, para el tubo de 35 mm. recortaremos de la chapa dos discos de 45 mm. y los preformaremos de manera que recubran ligeramente los bordes del tubo. No es recomendable construir las tapas ajustadas al interior o exterior del tubo, ya que por muy bien que se suelden a éste, la enorme presión del vapor que se produce en la caldera puede desprenderlas. - Orificio de llenado y tapón de la caldera: Ya que es difícil encontrar en el mercado rácores o válvulas con los que construir esta pieza, se puede recurrir a un sencillo canutillo de latón con rosca exterior para madera de 8 mm. e interior M6 (se utiliza en carpintería para fijar las patas a las mesas o sillas), cuyo tapón será un tornillo cincado y arandela M6. - Para elaborar el conducto de vapor se emplea tubo de cobre dúctil 2-4 mm. (diámetro interior-exterior), nada más sencillo. - La hornilla o cazoleta que contiene el combustible puede fabricarse fácilmente con un segmento de tubo de cobre rígido de 35 mm., cuyo fondo será una corona similar a las descritas para la caldera. El mango de la hornilla puede hacerse con una varilla de latón que se soldará al segmento. - En la mayoría de los modelos a escala de máquinas de vapor de cilindro oscilante que se comercializan, el soporte de los mecanismos está compuesto por tres piezas: la propia placa de sujeción del cilindro (como se ha visto en el capítulo 3, también tiene la función de conducir el vapor entrante o saliente del cilindro) y los dos angulares de fijación del volante y manivela a la base de la máquina. Este conjunto de elementos puede diseñarse en una sola pieza, de forma que se simplifican los trabajos de elaboración. El soporte se construye a partir de una chapa de acero de 2 mm. de espesor cortada en L, en la que realizaremos los respectivos orificios para la conducción del vapor y ejes de los mecanismos, teniendo especial cuidado en establecer con precisión sus distancias y diámetros correspondientes, pues de no hacerlo así la pieza resultante será inservible. - Dado que todas las piezas descritas están sometidas a un fuerte calor, si no a la llama directa, para su decoración hay que elegir necesariamente pintura al esmalte anticalórica. Solo se comercializan pinturas de este tipo en color negro o aluminio, existiendo otra blanca para radiadores que no serviría, pues no soporta altas temperaturas. Se puede mezclar la pintura anticalórica con otras pinturas al esmalte de diversos colores (éstas en muy baja proporción) obteniendo muchas tonalidades. Si se opta por no pintar, hay que tener en cuenta que el cobre presenta un aspecto sucio y envejecido cuando se suelda o se aplica la llama. Elementos dinámicos - Cilindro: La elaboración del cilindro resulta complicada y tan solo podremos emprender el trabajo copiando con la mayor precisión posible uno original. Se realiza a partir de una barra cilíndrica de latón (en muchas ferreterías venden varillas de diversos diámetros al peso) o mejor con una cuadrada (en este caso, tan solo en industrias auxiliares de los astilleros o en ciertas caldererías es posible que encontremos secciones que nos puedan valer). - Pistón: En este caso, la fabricación de un pistón es muy simple. Podemos recurrir a ensamblar dos secciones de varilla de latón de distinto diámetro, siendo el correspondiente al émbolo el mismo que el del interior del cilindro, con un calibre de tolerancia inferior a una décima de milímetro. Al objeto de reducir la fricción entre estas piezas (y también favorecer la creación de un pequeño colchón de aire entre ellas), se practican en el émbolo dos o tres surcos transversales. - Manivela: Se utiliza para su construcción un disco u ovoide de metal (acero o aluminio). Como se ha descrito en el capítulo 3, la excentricidad de esta pieza (distancia entre su eje y brazo) está directamente relacionada con la longitud del pistón y posición geométrica de los orificios del cilindro. También es importante comprobar que la masa de la pieza esté lo mejor equilibrada respecto a su eje. - Volante de inercia: Para un mayor rendimiento de la máquina, el volante de inercia deberá estar construido de forma que concentre la mayor parte de su masa en la periferia, asemejándose esta pieza a la rueda de un vagón de ferrocarril. Obviamente, la construcción de esta pieza es muy complicada, por lo que es mejor utilizar alguna rueda metálica de tamaño adecuado, procedente de una vieja máquina de vapor, del Meccano u otro juguete mecánico. Es posible encontrar volantes en algunas tiendas de modelismo que venden accesorios de máquinas de vapor. También se puede fabricar un volante con un disco de chapa de acero de 2,5-3,0 mm. de espesor y diámetro variable, siendo fundamental que se trate de un círculo perfecto y tenga su eje bien centrado. - Ejes: El eje del cilindro puede construirse con varilla roscada M3 (o M4), provisto de su correspondiente tuerca, arandela y muelle. No tiene mayor dificultad su construcción, aunque hay que tener cuidado en elegir la métrica y paso de la varilla acorde con la rosca del cilindro. El eje del volante y brazo de la manivela puede realizarse a partir de varilla de acero o latón. Si se dispone de un buen juego de terrajas y machos de roscar, es mejor hacer roscas en las piezas que soldarlas entre sí, pues de esta forma no podrán ser desmontadas. Funcionamiento de las máquinas de vapor La máquina de vapor supone el mayor logro tecnológico del siglo XVIII y es la piedra angular del desarrollo de la revolución industrial en Gran Bretaña. El vapor tiene fuerza. Un poco de vapor puede levantar la tapa de una olla en la que hay agua hirviendo. Cuando el agua hierve, parte de ella se convierte en vapor, el agua necesita más espacio y empuja la tapa. Cuando el vapor ha salido de la olla, la tapa cae otra vez. Una máquina de vapor es algo parecido a una olla de agua hirviendo. Pero está hecha para que el vapor, en lugar de escaparse, desarrolle un trabajo. El agua hirviendo se convierte en vapor en la caldera de la máquina. El vapor se comprime en el interior de la cardera. Cuando hay suficiente presión, el maquinista abre una espita que comunica la cardera con el cilindro e inmediatamente se precipita en este un poderosochorro de vapor. El vapor presiona un pistón en ese cilindro y presiona al pistón hacia atrás y hacia delante continuamente. El movimiento del pistón hacia delante y hacia atrás hace que giren las ruedas de la locomotora. Funcionamiento de la Máquina de Savery Thomas Newcomen Herrero, inventor y socio de Thomas Savery , nació en Darthmouth, Inglaterra. En 1705 desarrolló la llamada por su inventor, máquina de vapor atmosférica. Newcomen resolvió los 2 problemas de Savery, construyendo una máquina en la que incorporaba un cilindro con un pistón fuera de la mina que se movía con el vapor producido por una caldera. Ese movimiento lo transmitía al otro extremo de un balancín moviendo una barra (hacia arriba y abajo) que accionaba una bomba de extracción colocada en el interior de la mina. Esta máquina trabajaba con presiones más bajas y además la caldera estaba situada en el exterior de la mina (separada de la bomba) .Funcionamiento de la maquina de Newcomen En la máquina de Newcomen vemos como utiliza el cilindro con un pistón en su interior. El vapor mueve el cilindro hacia arriba y cuando esta en la parte superior se echa agua fría, procedente del pequeño deposito de agua y lo condensa haciendo el vació en el interior del cilindro y haciendo que este baje. También se ve el balancín que separaba la caldera de la bomba que estaría en el otro extremo del balancín haciendo el vació con el movimiento de arriba-abajo y sacando el agua de la mina (la bomba no se ve en el Newcomen fue el verdadero inventor de la máquina de vapor. La máquina de Newcomen enfriaba el vapor de agua en el propio cilindro echando agua, esto hacia que la máquina tuviera grandes pérdidas por el enfriamiento del cilindro. James Watt invento el condensador o cámara de condensación que lo que hacia era condensar el vapor fuera del cilindro con un mayor rendimiento ya que el cilindro se mantenía siempre caliente. Esto fue un gran avance, pero además de esto la máquina de Newcomen solo se movía hacia arriba y hacia abajo con el balancín, Watt invento un mecanismo que convertia este movimiento rectilineo en giratorio. Funcionamiento de la máquina de Watt El vapor entra por los dos lados del pistón. En la carrera ascendente entra el vapor por A y empuja el pistón hacia arriba. Una vez arriba entra el vapor por C y lo empuja hacia abajo, haciendo que el vapor anterior pase al condensador por D enfriándolo fuera del cilindro. Cuando metemos de nuevo vapor por debajo (por A) sube empujando el vapor de la parte superior hacia el condensador ya que C está cerrada y B abierta. Esto hace que empuje el agua que hay dentro del condensador por D de nuevo hacia la caldera. También se aprecia el mecanismo de bielamanivela para transformar el movimiento rectilíneo en circular. Anexos Maquina de Savery Conclusiones La maquina de vapor fue el invento mas importante de su época , revolucionando el comercio textil abaratando costos en la industria textil. Bibliografía
