MOTOR A VAPOR En este proyecto se realizara un motor a vapor con el cual podemos observar las distintas transformaciones de energía, primero de química a calorífica, de calorífica a térmica, de térmica a cinética, de cinética a mecánica. De esta manera sabemos que la energía química se trata de la energía interna que posee un determinado cuerpo y si bien siempre se podrá encontrar en la materia, solo se nos mostrará cuando se produzca una alteración importante de ésta. La energía calorífica (también energía calórica o energía térmica) es la manifestación de la energía en forma de calor, mientras que la energía cinética de un objeto es la energía que posee a consecuencia de su movimiento. Por otro lado, la energía mecánica se puede definir como la forma de energía que se puede convertir completamente en trabajo mecánico de modo directo mediante un dispositivo mecánico como una turbina ideal. Más que nada se lograra hacer funcionar el motor con una caldera y un trasformador de energía.
INTEGRANTES VAZQUEZ GONZALEZ ANGEL DE JESUS MUÑOZ PAREDES FRIDA YOSELINE SAN ANTONIO MORALES RAYMUNDO OCADIZ FRANCO LEOPOLDO FRANCISCO JAVIER RENDON
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Contenido
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ANTECEDENTES ........................................................................................................................... 2 2.1
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OBJETIVOS: .......................................................................................................................... 2
MARCO TEORICO ......................................................................................................................... 2 3.1
Motor a vapor ..................................................................................................................... 4
3.2
¿Quién inventó la máquina de vapor? ................................................................................ 5
3.3
¿Cómo funciona una máquina de vapor? ........................................................................... 5
DESARROLLO ............................................................................................................................. 12 4.1
MATERIALES ...................................................................................................................... 13
4.2
Pasos para la fabricación y montaje .................................................................................. 13
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2 ANTECEDENTES 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 cerramos, 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. En aquella época había en Inglaterra un gran problema. El agua que inundaba las minas. Tuvo que llegar Thomas Savery (1650-1715, mecánico inglés) que mejoró la máquina de Somerst y la patentó. Esto hace que se le considere el verdadero inventor de la máquina de vapor, ya que su máquina si se comercializó e incluso fue evolucionando. En su época constituyó un gran avance en la industria minera, resolviendo el problema del agua en las minas. 2.1 OBJETIVOS:
1. Conocer el funcionamiento de una máquina de vapor. 2. Entender cómo se transforma las energías aplicando la ley de la conservación de la energía, que dice: “la energía no se crea, ni se destruye, solo se transforma.”
3 MARCO TEORICO El ciclo de trabajo de una máquina de vapor se divide en dos partes; en principio, se genera vapor de agua por calentamiento directo, en una caldera que se encuentra cerrada, esto quema un combustible, habitualmente carbón o madera. El segundo paso del proceso consiste en introducir el vapor a presión dentro del cilindro, arrastrando el pistón o émbolo en toda su expansión. Esto lo lleva a cabo utilizando un volante de inercia y un mecanismo de biela; éste puede transformarse en un elemento de rotación. Una vez que el émbolo alcanzó el final de su carrera, retorna a su posición de inicio, expulsando de esta forma el vapor de agua. El ciclo que la máquina de vapor realiza es controlado mediante una 2
serie de válvulas de salida y entrada; que a su vez tienen la función de regular la renovación de carga, nos referimos con esto, a los flujos de vapor desde y hacia el cilindro.
Historia de la máquina de vapor
La máquina de vapor, o previamente conocida como motor de vapor, se empleó de forma activa durante el desarrollo de la Revolución Industrial; aquí tuvo un papel fundamental ya que se utilizaba para mover diversas máquinas tales como locomotoras, bombas, motores marinos, etc. La primera máquina de vapor fue inventada por Eduard Somerst en 1663, a partir del modelo de Somerset se llevó a cabo la construcción de un modelo denominado Vauxhall en 1665 en Londres, este proyecto tenía como propósito elevar el agua de los pisos superiores de la construcción. La máquina de vapor moderna que se empleaban en la generación de energía eléctrica no es ya de desplazamiento positivo o émbolo como las descriptas en el párrafo anterior; éstas son turbo-máquinas, decimos con esto que están atravesadas por un continuo flujo de vapor. Las mismas reciben el nombre de turbinas de vapor. Actualmente, la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco empleado para servicios auxiliares, ya que se ha vista desplazada por lo que conocemos, en la máquina industrial, como el motor eléctrico y por el motor de combustión interna en el transporte. Son muchos los investigadores y autores que han tratado de determinar la fecha de la invención de la máquina de vapor, tratando de encontrar su inventor, intento en vano debido a que la historia de su invención y desarrollo se encuentra plagada de cientos de nombres. La historia de la máquina de vapor se relaciona con Herón, y sigue su curso pasando por la sofisticada máquina de Watt, siendo víctima de las mejoras en Inglaterra en la Revolución Industrial, hasta hoy, en donde la podemos utilizar en el transporte, entre muchas otras cosas.
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En este experimento podemos observar las distintas transformaciones de energía, primero de química a calorífica, de calorífica a térmica, de térmica a cinética, de cinética a mecánica. De esta manera sabemos que la energía química se trata de la energía interna que posee un determinado cuerpo y si bien siempre se podrá encontrar en la materia, solo se nos mostrará cuando se produzca una alteración importante de ésta. La energía calorífica (también energía calórica o energía térmica) es la manifestación de la energía en forma de calor, mientras que la energía cinética de un objeto es la energía que posee a consecuencia de su movimiento. Por otro lado, la energía mecánica se puede definir como la forma de energía que se puede convertir completamente en trabajo mecánico de modo directo mediante un dispositivo mecánico como una turbina ideal, ahora bien
3.1 Motor a vapor
Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica. Este ciclo de trabajo se realiza en dos etapas: 1. Se genera vapor de agua por el calentamiento en una caldera cerrada herméticamente, lo cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón. Mediante un mecanismo de bielamanivela, 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, entre otros. 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 turbo máquinas; 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 industria y por el motor de combustión interna en el transporte. 4
3.2 ¿Quién inventó la máquina de vapor?
Thomas Newcomen inventó la máquina de vapor en el año 1705. Con la ayuda de algunos colegas como el físico Robert Hooke y el mecánico John Calley, Newcomen fue el primero en realizar una máquina de vapor propiamente dicha. Algunos años después se utilizó como base para varios de los inventos más importantes de la Revolución Industrial como la locomotora, los barcos de vapor y en las fábricas, entre otras cosas. Varios años más tarde, James Watt (el de las bombillas), le realizó importantes mejoras, hasta que en 1769 terminó perfeccionándola. 3.3 ¿Cómo funciona una máquina de vapor?
Las máquinas de vapor trabajan por su motor de vapor alimentado, los mismos que han alimentado a las locomotoras y otras maquinarias entre los años 1800 y 1950. Aunque existen en diferentes tamaños y formas, básicamente todos funcionan de manera muy similar. En una caldera se hierve determinada cantidad de agua incesantemente. Tras calentarse por un fuego alimentado por diversos combustibles como madera, carbón o petróleo, esta hierve. Cuando hierve en la caldera, el vapor que se genera se concentra generando una alta presión y en ese estado se lo dirige a una cámara cerrada conocida como cámara de vapor.
Ilustración 1 PRIMERA MAQUINA DE VAPOR
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El vapor de la caldera entra en la cámara, en donde en el extremo delantero se encuentra un cilindro, que por la expansión del volumen del agua, empuja un pistón. A través de un mecanismo de biela-manivela el movimiento circular de este pistón se convierte en un movimiento de traslación o de rotación. Este movimiento es capaz de hacer girar ruedas por ejemplo de una locomotora o incluso provocar la rotación de un rotor en un generador eléctrico. Cuando acaba con el ciclo, el émbolo vuelve al lugar en el que comenzó y todo el vapor se expulsa con inercia aplicando la energía cinética (la misma que tanto tiene que ver en el funcionamiento de la montaña rusa). Al mismo tiempo, mediante una serie de válvulas se produce una renovación en la entrada y la salida de los flujos de vapor, también de forma constante .
Ilustración 2 FUNCIONAMIENTO DE UNA MAQUINA DE VAPOR
El pistón del motor constituye una pared contra la cual el bombardeo de las moléculas de vapor en un estado potencial muy elevado cederán toda la energía cinética y de presión posibles, ocasionando una fuerza que origina el desplazamiento del embolo en sentido positivo, es decir del punto más alado del centro del cigüeñal al más cercano a este. Esta absorción de energía provoca que el vapor sufra efectos de enfriamiento y expansión a volúmenes mayores y presiones menores. Debe existir un mecanismo adicional que permita tanto la entrada de vapor al cilindro en el momento preciso en que se inicie la carrera en el sentido positivo, como la salida del fluido al iniciarse la carrera de retorno.
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Este problema se soluciona con un luego de válvulas de admisión y escape según su finalidad cuya apertura y cierre se sincronizan con el movimiento del pistón, por lo general acoplándose al cigüeñal por medio de otra manivela o a través de engranes, de tal manera que la válvula de admisión este abierta y la de escape cerrada. Antes de la mitad de la carrera de esta válvula se cierra siguiendo a continuación, el proceso de expansión del vapor. La misma inercia del mecanismo obliga al embolo a comenzar la carrera en sentido negativo y es aquí donde se acciona la válvula de escape para permitir el barrido del vapor que ya) ha cedido su energía. Poco después de la mitad de la carrera de retornase cierra la válvula de escape, se comprime el poco vapor que queda dentro del cilindro y al llegar al extremo la valvular de admisión se abre nuevamente, completándose, de esta manera, el ciclo de la máquina.
Tipos de motores de vapor
Nuestro diagrama superior muestra una máquina de vapor simple, con un único cilindro que genera la suficiente energía para que la locomotora se mueva. Esto se conoce con el nombre de máquina de vapor rotatoria, porque el trabajo del pistón es hacer que las ruedas roten.
Ilustración 3 PRIMERA LOCOMOTORA DE VAPOR
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La primera locomotora de vapor funcionó de diferente forma. En lugar de rotar las ruedas, el pistón empujaba una viga de arriba abajo con un sencillo movimiento de vaivén de ida y vuelta. Motores alternativos de máquinas de vapor fueron usados para bombear agua hacia el exterior de las inundadas minas de carbón en el siglo 18. Cuando el vapor empuja el pistón y la locomotora lo dirige en el sentido contrario, estamos hablando de una máquina de vapor de simple efecto. El diseño es bastante ineficiente debido a que el pistón solamente tiene energía suficiente la mitad del tiempo. Los mejores diseños utilizan tuberías y válvulas extra para que el vapor empuje el pistón, primero de una forma y luego de otra. Esto se conoce como máquina de vapor de doble efecto (o contraflujo). Es mucho más poderosa debido a que el vapor está conduciendo el pistón todo el tiempo.
Clasificación de los motores de vapor
Las designaciones más comunes para los motores de vapor son las siguientes a. por disposición de la bancada horizontales
verticales
b. Por el mecanismo de las válvulas
de corredera o D, Corliss, Zeta.
c. Por el número de cilindros para la expansión del vapor
Mono cilindros
De dos cilindros
De tres cilindros, etc.
d. Por el sentido de la circulación dentro del cilindro 8
Contracorriente
Unidireccional
e. Por la velocidad de rotación
Velocidad alta
Velocidad media
Velocidad baja
f. Por la realización de la carrera y el diámetro del pistón Larga
Corta
g. Por el escape
Con condensador
Sin condensador
Principales partes de la máquina de vapor y funciones.
Ilustración 4 PRINCIPALES PARTES DE LA MAQUINA DE VAPOR
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Hay cuatro partes diferentes en una máquina de vapor: 1. Un fuego en el que el carbón se quema. 2. Una caldera llena de agua que el calor calienta para generar el vapor. 3. Un cilindro y un pistón, bastante parecido al de la bomba de la bicicleta pero mucho más grande. El vapor de la caldera es entubado dentro del cilindro, causando que el pistón se mueva primero de una forma y luego de otra. Este movimiento de entrada y salida (el cual es conocido como “alternativo”)
se utiliza para conducir… 4. una máquina unida al pistón. Podría ser cualquier cosa desde una bomba de agua a una máquina de fábrica… o incluso ¡una locomotora de vapor
gigante corriendo arriba y abajo por unas vías de ferroviarias! Dentro de la cabina locomotora cargas carbón en la cámara de combustión, la cual está compuesta de metal para contener el fuego del carbón rugiendo. El fuego calienta la caldera – la “gigante tetera” del interior de la locomotora. La caldera de la máquina de vapor no se parece demasiado a una tetera, por lo que no la usarías para hacer té, pero funciona de la misma forma, generando vapor cuando la presión aumenta. La caldera es un tanque enorme de agua formado por docenas de tubos de metal delgados que se encuentran alrededor del mismo. Los tubos van desde la cámara de combustión hasta la chimenea, llevando el calor y el humo del fuego con ellos. La disposición de los tubos de la caldera hace que el fuego del motor pueda calentar el agua en el depósito de la caldera mucho más rápido, de esta forma produce vapor más rápida y eficazmente. El agua hirviendo causa que el vapor proceda de los tanques montados encima de la locomotora o del vagón separado llamado auxiliar, debajo de la locomotora. (El vagón auxiliar también contiene el suministro de carbón de la locomotora.) 10
El vapor generado en la caldera fluye hacia abajo, hacia el cilindro justo delante de las ruedas, empujando un émbolo ceñido, el pistón, de ida y vuelta. Una pequeña puerta mecánica en el cilindro, conocida como válvula de entrada le permite al vapor entrar. El pistón está conectado a una o más ruedas de la locomotora a través de una especie de junta llamada manivela y a otra parte conocida como biela, que permiten el movimiento de la maquinaria. Cuando el pistón empuja, la manivela y la biela giran las ruedas de la locomotora y alimentan al tren. Cuando el pistón ha alcanzado el final del cilindro, no puede empujar más lejos. El impulso del tren continúa el movimiento de la manivela hacia delante, empujando al pistón para que vuelva al cilindro de la misma forma que vino. La válvula de entrada de vapor se cierra y una válvula de salida se abre haciendo que el pistón empuje el vapor de vuelta al cilindro y que éste suba por la chimenea de la locomotora. El ruido intermitente “chuff -chuff” que generan las máquinas de vapor, y los intermitentes “pufs” de humo, suceden cuando el pistón se mueve hacia detrás y
delante en el cilindro.
Aplicaciones del motor a vapor
La aplicación industrial que antiguamente se le daba al motor de vapor (movimiento de bombas, maquinaria, ventiladores, generadores, etc.) ha sido desplazada por la utilización de la turbina de vapor. Las desventajas principales que han motivado esta situación son, principalmente el gran volumen que ocupa un motor de vapor con respecto a la potencia desarrollada, la eficiencia relativamente baja, las vibraciones que se originan por el movimiento reciproco, etc. por otro lado, el motor de vapor se escoge en casos en que se requiere desarrollar un alto par a velocidades muy bajas (inferiores a 300 rpm), o tener un equipo donde sea fácil y rápida (casi instantánea) la reversibilidad 11
del sentido de rotación, o cuando se necesitan equipos auxiliares de fuerza teniendo una gran cantidad de calor disponible para otros procesos, o si se desea trabajar a bajas presiones, etc. Otra ventaja de estos motores es su larga vida, la utilización de un motor de vapor se relaciona frecuentemente con la no condensación con el fin de tener vapor disponible para otros procesos. Es utilizado es industrias como la de papel, textil, azucarera, así como para el accionamiento de potentes prensas y molinos, donde el vapor de escape se requiere para efectuar procesos químicos: también se utiliza en la industria del acero para martinetes de golpeo y, por lo general, donde el vapor se genera a partir de los gases de escape delos) hornos de fundición y tratamientos térmicos.
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DESARROLLO
En este experimento podemos observar las distintas transformaciones de energía, primero de química a calorífica, de calorífica a térmica, de térmica a cinética, de cinética a mecánica. De esta manera sabemos que la energía química se trata de la energía interna que posee un determinado cuerpo y si bien siempre se podrá encontrar en la materia, solo se nos mostrará cuando se produzca una alteración importante de ésta. La energía calorífica (también energía calórica o energía térmica) es la manifestación de la energía en forma de calor, mientras que la energía cinética de un objeto es la energía que posee a consecuencia de su movimiento. Por otro lado, la energía mecánica se puede definir como la forma de energía que se puede convertir completamente en trabajo mecánico de modo directo mediante un dispositivo mecánico como una turbina ideal. Para realizar el motor a vapor se necesitaron los siguientes materiales:
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4.1 MATERIALES
Los materiales para la fabricación y montaje del motor son: Tubo de cobre Abrazaderas 6 pijas 2 pedazos de madera 5 tuercas Un ángulo de acero galvanizado 2 ruedas de plástico 2 barras con sujeción de plástico
4.2 Pasos para la fabricación y montaje
Primer pasó: Se cortan dos tubos de cobre con una longitud de 50 mm y otro más grande de 55 mm con un diámetro de 35 mm, después de la misma manera se cortan otros dos de 60 y 50 mm pero con un diámetro más pequeño de 25 mm.
Segundo paso: Se perfora los tubos de mayor diámetro a cierta distancia de manera que el tubo de 60 mm quede entre ambos, posteriormente se perfora por segunda vez el de 55 mm por la parte posterior para que valla unido al tubo de 50 mm de menor diámetro.
Tercer paso: Todos los tubos son unidos y aislados con cinta y sujetados a la base de madera.
Cuarto paso: Se sujeta el ángulo de acero a la base de madera de mayor tamaño a cierta distancia para que la barra de plástico que va unida al pistón tenga la distancia correcta y no se pueda salir.
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Quinto paso: Se coloca un tornillo transversal sobre el ángulo a la misma distancia de las entradas de los tubos de cobre y se sujeta al ángulo.
Ilustración 5 montaje del motor a vapor
Sexto paso: En cada extremo del tornillo ya sujetado se colocan y se ajustan lo que viene siendo las ruedas de plástico que funcionaran como un pequeño cigüeñal.
Séptimo paso: Sobre las ruedas ya ajustadas se montan un tornillo atravesando el barreno de la barra de plástico de su extremo con una tuerca de las misma manera se realiza en la otra rueda y con otra barra de plástico. 14
Octavo paso: Ambas barras de platico son montadas a un gancho que contiene al pistón de un extremo y va metido sobre el tubo de plástico de 50 mm que actuara como un embolo y pistón conectados a un cigüeñal.
Noveno paso: De igual manera en la otra barra de plástico se montara una válvula de distribución con un diámetro de 50 mm y una longitud de 20 mm que ira en el segundo tubo de 55 mm, esta válvula es de suma importancia ya que suministra y da entrada al pistón el vapor
Decimo paso: Ya por último es conectada una manguera que transporta el vapor hacia la válvula de distribución que le da entrada y lugar al vapor en el embolo, así de esta forma haciendo funcionar el motor y transformando el movimiento lineal a circular reflejado en el cigüeñal.
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