Facultad de ingeniería ESCUELA DE ELECTROMECANICA motores de combustión interna
MOTORES DE VAPOR Luis alcántara Luis Fajardo Alex Ferreras bayardo bayardo Villanueva Villanueva Holly Liberato Eliseo martinez Jose Piment Pimentel el Williams terrero Juan Gonzales
100062036 100144238 100014152 100046726 100046726 CG -1806 100004806 CG-0098 CG-0098 DF-9543 BI-4979
es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica. 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 maquina de vapor se produce 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.
En esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas: 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 primer motor de pistón fue desarrollado por el físico e inventor francés Denis Papín y se utilizó para bombear agua. La máquina 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, igual que la máquina llamada motor atmosférico desarrollada por el inventor británico Thomas Newcomen en 1705. Este dispositivo contaba con un cilindro vertical y un pistón con un contrapeso. Durante sus trabajos de mejora de la máquina de Newcomen el ingeniero e inventor escocés James Watt desarrolló una serie de ideas que permitieron la fabricación de la máquina de vapor que hoy conocemos. 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 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 un 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. Otro concepto fundamental de las primeras máquinas de Watt era el uso de la presión del vapor en lugar de la presión atmosférica para obtener el movimiento. Watt diseñó también un sistema por el cual los movimientos de vaivén de los pistones movían un volante giratorio. Esto se consiguió al principio con un sistema de engranajes y luego con un cigüeñal, como en los motores modernos. Entre las demás ideas de Watt se encontraba la utilización del principio de acción doble, por el cual el vapor era inyectado a un lado del pistón cada vez para mover éste hacia adelante y hacia atrás. 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.
•
El vapor de agua que proviene de un generador de vapor calentado por la combustión de carbón se introduce en una primera cámara intermedia de forma oblonga conectada con el fondo de la mina mediante un tubo. Cuando el vapor ha expulsado el aire de esta cámara, este se enfría mediante agua fría en su exterior, en forma de ducha, y el agua que asciende lo llena casi por completo. Se cierra la válvula inferior y se abre la superior y se inyecta de nuevo vapor en la cámara. La presión del mismo consigue elevar el agua hasta la cota superior. Para hacer el proceso mas eficiente se utilizan dos cámaras intermedias, de tal manera que mientras una se esta llenando de agua que proviene de la cota inferior en la otra, ya llena, el agua es impulsada hacia arriba por el vapor.
•
•
La maquina de Savery dispone de un generador de vapor, una cámara intermedia, un recipiente superior y tres válvulas. Utiliza carbón, que se quema para generar vapor, y agua fría, que se utiliza para enfriar las cámaras intermedias. La válvula A conecta el generador de vapor con la cámara intermedia. La válvula B conecta la cámara intermedia con el agua de la cota inferior y la válvula C conecta la cámara intermedia con el recipiente de la cota superior. Con el vapor de agua que se produce en un generador de vapor y para ello se utiliza el calor producido por la combustión de carbón se llena una cámara que esta conectada con el fondo de la mina mediante un tubo que se hunde en el agua válvulas A y B abiertas y válvula C cerrada. En cuanto el vapor de agua ha expulsado el aire de esta cámara se cierra la válvula A en realidad se desvía el chorro del vapor hacia una segunda cámara intermedia, ya llena de agua. La cámara intermedia es entonces enfriada mediante un chorro de agua fría que la moja por el exterior. Al bajar la temperatura en esta cámara disminuye la presión de vapor del agua en su interior y la presión atmosférica que se aplica sobre la superficie del agua en la cota baja empuja el agua hacia arriba.
•
Una vez llena de agua la cámara intermedia, se cierra la válvula B, se abre la C y se vuelve a abrir la A. El vapor empuja sobre la superficie del agua de la cámara intermedia y le obliga a subir hasta la cota superior. Para conseguir mejores resultados se utilizan dos cámaras intermedias. Mientras una se esta enfriando y llenando de agua que viene de la cota inferior, la otra, la llena de agua, se esta llenando de vapor que empuja el agua hacia la cota superior.
La máquina aplicaba el principio de que cuando el vapor se enfría y se condensa, su volumen se reduce muchísimo. Si este proceso se lleva a cabo en una cámara totalmente cerrada, se origina en ella un vacío. La cámara de Newcomen era un enorme cilindro vertical abierto en su parte superior y provisto de un pistón que subía y baja se llenaba de vapor. Entonces invadía el cilindró un chorro de agua fría, a fin de condensar el vapor y crear el vacío, momento en que actuaba sobre la cara superior del pistón la presión del aire, impeliéndolo hacia abajo y efectuando una carrera útil. El pistón subía nuevamente y se preparaba para una nueva carrera. Las máquinas de vapor de este tipo se denominaron de Newcomen (aunque no las construyera él todas),y también máquinas "DE FUEGO" o "ATMOSFÉRICAS".
•
•
•
•
•
Analizando el problema identificó las pérdidas debidas al propio cilindro, a la práctica de enfriar el vapor para lograr el vacío necesario para mover la máquina y a la presión residual del vapor. En sus experimentos posteriores, verdaderos trabajos científicos, llegó a las conclusiones siguientes que fueron objeto de la patente de 1769: Mantener el cilindro a la misma temperatura que el vapor que entra en su interior; recubriéndolo con materiales aislantes, rodeándolo con el vapor u otros cuerpos calientes y evitando que el agua u otras sustancias más frías que el vapor entren en contacto con él o penetren en su interior. En máquinas de condensación total o parcial, ésta se hará en depósitos distintos del cilindro —condensadores— que deberán mantenerse al menos tan fríos como el aire que circunda la máquina empleando agua u otros cuerpos fríos. El aire y otros gases no condensables se extraerán de cilindro y condensadores mediante bombas accionadas por la propia máquina u otros medios. Se aprovecha la fuerza expansiva del vapor para impulsar el pistón de igual modo que la presión atmosférica se emplea en los motores térmicos actuales [máquina de Newcomen]. Si no se dispone de agua en cantidad las máquinas pueden operarse únicamente por la fuerza del vapor descargándolo luego a la atmosfera [máquinas de escape libre].
•
El rendimiento de la máquina de Newcomen era poco satisfactorio, más que nada porque el vapor se enfriaba en el propio cilindro. De ello se dio cuenta un mecánico escocés llamado James Watt (1736-1819), quien al reparar una máquina de Newcomen introduce en ya importante modificaciones. Hace que el vapor se condense en un recipiente especial, el condensador, que conecta con un tubo al cilindro al que, además, cierra por sus dos extremos. De esta forma se podía mantener siempre caliente el cilindro, ahorrándose una importante cantidad de combustible. Además introduciría otros adelantos en su máquina , como un mecanismo para regular la distribución del vapor, máquina de doble efecto, y una varilla que une el émbolo con un balancín articulado, la biela, por lo cual el
Principios Físicos de la maquina de vapor.
•
•
Las máquinas de vapor pertenecen a la familia de los convertidores de energía química en calor y después el calor en energía mecánica. En la mayor parte de los casos la producción de calor se efectúa por combustión de combustibles sólidos, generalmente hulla.
Fig.1 Hulla (mineral 45 – 85% carbono)
•
La máquina de vapor se clasifica como una máquina de motor térmico de combustión externa, ya que el combustible se quema fuera del cuerpo de la máquina.
•
•
Las máquinas de combustión externa utilizan un fluido (en este caso vapor de agua) para transmitir la energía calorífica producida. La transformación en energía mecánica se produce en dos fases:
1. En la caldera la energía calorífica calienta el agua hasta convertirla en vapor, el cual se expande y genera presión. 2. La presión del vapor se utiliza para hacer funcionar las partes mecánicas de la máquina.
Motor de vapor de cilindro oscilante.
•
Un motor de vapor del cilindro oscilante es una variante de la máquina de vapor de expansión sencilla que no requiere válvulas a vapor. En lugar de estas, el soporte cuenta con dos agujero y el cilindro con un agujero de tal manera que al oscilar el agujero del cilindro coincide con uno de los agujeros del soporte.
funcionamiento •
La admisión desde la caldera se produce 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, 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 (2) 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. Esta posición (4) es el punto muerto inferior
Rendimiento del Motor de vapor
Holly Liberato CG1806
En todo proceso de transformación de energía, una parte de la energía se pierde bajo forma de calor. Para evaluar la relación entre la energía que entrega un dispositivo y la que absorbe, se utiliza el concepto de rendimiento.
Rendimiento aproximado de algunas máquinas. •
•
•
•
•
•
•
•
Máquina de vapor: 10-15 %
Motor de explosión: 25-30 % Motor diesel: 35-40 % Turbina de vapor: 35-45 % Turbina hidráulica: 75-90 % Motor eléctrico: 80-90 % Alternador: 85-95 % Transformador eléctrico: 99 %
Configuración del motor de vapor
Motor simple •
En un motor simple, el cargo de vapor funciona sólo una vez en un cilindro. Se agota luego directamente a la atmósfera o en un condensador.
Figura 1
Motores compuestos •
Un método para disminuir la magnitud de este calentamiento y enfriamiento fue inventado en 1804 por el ingeniero británico Arthur Woolf, que patentó su motor compuesto Woolf alta presión en 1805 - En el motor compuesto, vapor de alta presión de la caldera se expande en un cilindro de alta presión y a continuación, entra en uno o más cilindros de presión posteriores inferiores. La expansión completa del vapor ahora se produce a través de múltiples cilindros y como menor expansión se produce ahora en cada cilindro menos calor se pierde por el vapor de agua en cada uno. Esto reduce la magnitud de la calefacción y la refrigeración del cilindro, aumentando la eficiencia del motor.
Figura 2
