1. MARCO TEORICO Una de las grandes diferencias entre la era contemporánea y épocas pasadas, sin duda estri estriba ba en las las máqu máquin inas as impu impuls lsad adas as por por la ener energí gíaa prod produc ucid idaa por por comb combus ustib tible les. s. Convertir el calor en movimiento fue lo que permitió la aparición de mecanismos de enorme fuerza, que cambiaron tanto la forma de recorrer distancias, como la manera de organizar y producir el trabajo. el primero de estos mecanismos fue la máquina de vapor. !"plicado de manera simple una máquina de vapor es un motor de combustión e"terna que transforma la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica. !n esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas#
$ %e genera vapor de agua en agua en una caldera caldera cerrada cerrada por calentamiento, lo cual produce la e"pansión del volumen de un cilindro empujando un pistón un pistón.. &ediante un mecanismo de biela ' manivela manivela,, el movimiento lineal alternativo del alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico. eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y e"pulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de cinética de un volante de inercia. inercia. $ !l vapor vapor a presión se controla mediante mediante una serie de válvulas válvulas de de entrada y salida que regulan la renovación de la carga( es decir, los flujos del vapor )acia y desde el cilindro.
1.1 PRIMEROS DISEÑOS !l primer aparato que utilizaba la energía del vapor para moverse, fue el *aeolipile+, un juguete creado por erón de -lejandría -lejandría en el siglo . /ambién /ambién )ay constancia de algunas aplicaciones de la fuerza del vapor en mundo antiguo y clásico, pero sin uso práctico, más allá del fomento de la superstición. %us economías basadas en el esclavismo )acían que las investigaciones tecnológicas carecieran de utilidad. 0urante el medioevo, por otra parte, la ciencia y la investigación cayeron en una oscuridad de siglos. 1or ello, no fue )asta finales del siglo 23 cuando el inglés /)omas %avery dio al vapor su primera utilización práctica# bombas de vapor para e"traer agua de las minas. !l agua era e"traída por una tubería )acia un recipiente donde se )abía creado el vacío, mediant mediantee conden condensaci sación ón por enfriam enfriamien iento. to. %in embarg embargo, o, eran unos unos artilug artilugios ios muy peligrosos, por su alto riesgo de e"plosión.
lustración 4# 4# &otor de 3apor 5enoir 6uente# )ttp#77888.museudantu.org.br7 )ttp#77888.museudantu.org.br7
1.2 INDUSTRIA Y TRANSPORTE, REVOLUCIONADOS !l primer tren de carga accionado mediante vapor funcionó en 49:;, y el de pasajeros en 49:9, ambos dise
, cuyo é"ito condujo a la construcción de otros ve)ículos de vapor. 1ero fue ?eorge %tep)enson quien construyó la primera locomotora ferroviaria utilizable, cuando en 49@A creó la línea regular entre 0arlignton y el puerto de %toc>ton. !l tren pronto revolucionó el transporte de largo recorrido. !l primer buque de vapor, accionado por ruedas, fue el Clermont, dise
1.3 FUNCIONAMIENTO FUNCIONAMIE NTO BÁSICO DE LA MÁQUINA DE VAPOR VAPOR
!"plicado de forma simplificada, lo que se entiende en la actualidad por máquina de vapor consiste en un cilindro )ueco, con un émbolo o pistón que se desliza en su interior. Cuando el vapor de agua se introduce en el cilindro, )ace elevar el pistón gracias a la presión que produce al e"pandirse. !ste movimiento del pistón se transmite
a través de un cigEe
lustración @# @# 6uncionamiento motor a vapor 6uente# motoravap.blogspot.com
1.4 CICLO ABIERTO: !ste fue el primer ciclo de vapor a utilizarse en forma amplia. Corresponde a las típicas máquinas de vapor de ciclo abierto Glocomotoras, locomóviles y muc)as máquinas estacio estacionari narias as en los inicio inicioss de la revolu revolució ción n indust industria rialH. lH. 1asemo 1asemoss a analiza analizarlo rlo en diagramas y en bloques.
1.4.1-Esquema bloques de ciclo de vapor abierto
!l ciclo opera de la siguiente forma# un depósito contiene agua para la calderaG4H. 5a bomba toma el agua del depósito y la inyecta a la caldera G@H Gaumentando su presión desde la presión atmosférica )asta la presión de la calderaH. !n la caldera Gdonde se le entrega el calor IH, el agua ebulle, formando vapor. !l vapor se e"trae de la caldera en la parte superior GJH. 1or gravedad, solo tiende a salir vapor saturado, por lo tanto sale de la caldera con título muy cercano a "K4.. 5uego el vapor Ga presiónH es conducido al motor donde de de e"pande, produciendo el trabajo L. L. !l motor descarga el vapor utilizado al ambiente que está a 4 atm. 1or lo tanto el vapor condensa a 4::MC.
1.4.2-Diagrama p-V de ciclo de vapor abierto
En diagrama p-V, el ciclo se describe como sigue (los puntos termodinámicos están indicados con pequeñas cruces, cerca del número correspondiente): En (1) el agua del depósito es líquido subsaturado !a bomba aumenta su presión "asta es estado (#) $omo lo que se comprime es solo líquido, el %olumen de (#) es ligeramente in&erior in&erior al de (1) !uego esta agua a presión se in'ecta en la caldera llí alcana primero el estado de saturación (intersección de línea #-* con campana de cambio de &ase) ' luego comiena la ebullición dentro de la caldera Este proceso es a temperatura ' presión constante El %apor sale de la caldera en el estado (*), como %apor saturado (en teoría, realmente siempre tiene un título ligeramente in&erior a +1) !uego se e+pande en la máquina (motor) generando trabao ' es e+pulsado a la atmós&era .or lo tanto la máquina opera entre la presión pcald ' patm, las que tienen asociadas la temperatura temperatura de ebullición del %apor en la caldera ' la temperatura de condensación del agua en la atmós&era (1//0$)
1.4.3 Diagrama T-S de ciclo de vapor abierto
!n diagrama /'% el ciclo abierto se describe como sigue# !l agua está inicialmente a /amb y en estado líquido G4H, luego la bomba lo comprime )asta el estado G@H. !n teoría esta compresión es isentrópica, en realidad la entropía aumenta un poco. !n todo caso, los estados G4H y G@H están muy cercas Gla temperatura apenas subeH. -l inyectarse el agua a presión a la caldera, la entropía aumenta fuertemente, pues este es un proceso irreversible. 5uego comienza la ebullición del agua en la caldera Gdesde la intersección con la campana de cambio de fase )asta el estado JH. !n GJH el vapor se e"pande en el motor, motor, generand generando o el trabajo trabajo L. !sta !sta e"pans e"pansión ión en teoría teoría es identr identróp ópica. ica. !l vapor vapor descarga en el estado G;H, el que corresponde a la presión ambiente y temperatura de 4::MC. 5uego este vapor condensa en la atmósfera a 4::MC y luego se sigue enfriando )asta el estado inicial.
1.4.4 Diagrama T-S de ciclo de vapor abierto, incluendo ciclo de !arnot correspondiente
1ara efectos de comparación, el diagrama anterior lo inscribimos en su Ciclo de Carnot Correspondiente Glas dos isotérmicas y dos isentrópicas que lo inscribenH. !ste ciclo tiene tiene como como temper temperatur aturaa inferi inferior or Gde fuente fuente fríaH fríaH la tempera temperatur turaa ambien ambiente te y como como superior Gde fuente calienteH la de la caldera G/ma"H. 5as áreas en verde indican la pérdida que )ay con respecto al potencial, la cual es muy elevada. !s por esto que los ciclos abiertos fueron rápidamente reemplazados con ciclos con condensador Go ciclo de =an>ineH, pues el rendimiento es muy superior. %e limitaron a máquin máquinas as móvil móviles es Glocom Glocomoto otoras ras o locomó locomóvil vilesH, esH, donde donde no es práctic práctico o instala instalarr un condensador. ncluso en los barcos a vapor se tenía condensador, pues el agua de mar era e"celente medio para enfriarlo.