Palabras clave: máquina de vapor, termodinámica, primera ley, sistema abierto, trabajo, calor.
Resumen
La máquina de vapor, es un artefacto en el que, a partir de una fuente de calor se hace uncambio de fase, de agua líquida a vapor que, posteriormente se utiliza para realizar algún tipo de trabajo, convirtiendo energía térmica en energía potencial, o incluso energía eléctrica. La importancia histórica de esta máquina es casi que incalculable, pues fue la impulsora de la revolución industrial, además de ser precursora de artefactos que en la actualidad se utilizan para la generación de energía.
El prototipo de máquina de vapor se construye con materiales que en su mayoría son fáciles de conseguir e incluso son de uso común, llevando a un modelo a escala los principales componentes de la máquina de vapor, y de esta manera simular el funcionamiento y el trabajo que realiza. Así también se propone escalar los cálculos de calor y trabajo, basándonos en conceptos aprendidos, tales como, primera y segunda ley de latermodinámica, diferencia entre sistema abierto y cerrado, a partir, de datos obtenidos experimentalmente.
Marco Teórico
Máquina de vapor:
Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía de una
cierta cantidad de vapor de agua en trabajo mecánico. En esencia el ciclo de trabajo se
realiza en dos etapas: habiéndose generado previamente el vapor en la caldera por
calentamiento directo mediante la quema de algún combustible —carbón o madera en sus
inicios, derivados del petróleo y gas natural con posterioridad— el vapor es introducido en
el cilindro arrastrando el émbolo o pistón en su expansión; empleando un mecanismo de
biela-manivela éste se puede transformar en movimiento de rotación de, por ejemplo, el
1rotor de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su
posición inicial expulsando el vapor de agua. El ciclo 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.
Este tipo de motores fue utilizado ampliamente en locomotoras, motores marinos, bombas y
diversos equipos, teniendo gran relevancia en el desarrollo de la Revolución Industrial, su
importancia es comparable con la creación y el desarrollo del computador para la
revolución tecnológica actual.
En la actualidad la utilidad de este tipo de máquinas ha sido un tanto rezagado, esto debido
a su baja eficiencia, sin embargo, se ha reemplazado por unas pseudo-máquinas de vapor,
que ya no poseen un émbolo (o desplazamiento positivo) sino que son atravesadas por un
flujo de continuo de vapor, recibiendo como nombre turbinas de vapor, o en el área de
transporte ha sido reemplazada por motores de combustión interna, en la industria por
motores eléctricos, principalmente.
Historia
Antecedentes:
Es tal vez imposible dar una fecha exacta de la creación de la máquina de vapor o atribuir a
algún inventor de manera específica, pues a lo largo de la historia se han venido
desarrollando diferentes modificaciones a rudimentarios aparatos que, sin aplicación
práctica en principio, que posteriormente llegaría hasta la sofisticada máquina de Watt.
Una primera aproximación la podemos encontrar en el manuscrito titulado Spiritalia seu
Pneumatica de Herón de Alejandría, en el que describe diversos artefactos en el que ya se
daba un uso al vapor de agua, tal es el caso, por ejemplo, en la proposición 37 describe un
mecanismo animado por el fuego para el cierre automático de las puertas del templo, en
otra proposición habla acerca de dos motores a reacción uno por aire caliente y otro por
vapor de agua para hacer girar las figuras del altar.
Dejando a un lado el uso que se daba a estos grandes descubrimientos, no de deja de ser
apenas fascinantes como ya en la época de Herón se usaba el vapor como fuente de energía
para generar trabajo, sin embargo, en este mismo sentido, también es sorprendente el hecho
de que desde esta época no se encuentre evidencia del uso del vapor para fines prácticos.
Ya en 1543 se encuentra que, bajo el reinado de Carlos I en España, un oficial de la marina,
Blasco Garay, intentó impulsar un barco con ruedas de palas movidas por una máquina de
vapor. Pese a que del supuesto motor no se tienen datos, si es la primera evidencia del uso
de una máquina de vapor con fines realmente prácticos.
En 1615 Salomón Caus describe una fuente, a partir de un proceso similar al descrito por
Herón, en la que el vapor de agua se usaba para impulsar el líquido, posteriormente se
tienen datos de la primera máquina de vapor inventada por Eduard Somerset, en 1663 y por
su descripción muy similar, a la fuente de Caus. El propósito, llevar agua a los pisos
superiores del castillo Rawlan. Sin embargo, Somerset no pudo atraer los capitales
necesarios para producir y vender su máquina y murió en la pobreza. Este es posiblemente
el hecho de que se haya atribuido a Thomas Savery la invención de la máquina de
Somerset sobre la que obtuvo una patente en 1698. A pesar de todo, la máquina de Savery
2se introdujo en las minas inglesas de forma muy limitada por el riesgo de explosión debido
a un incremento incontrolado de la presión en la máquina.
Máquinas de Compresión o vacío:
En los albores del siglo XVIII todos los elementos necesarios de la máquina de vapor
habían sido inventados y aplicados exitosamente con diferentes propósitos y la naturaleza
de la presión atmosférica y de la presión de los gases era comprendida, así como se conocía
el vacío y la forma de obtenerlo mediante la condensación del vapor. Faltaba solamente el
ingeniero que combinara los conocimientos prácticos y teóricos disponibles en una
máquina que fuera capaz de aprovechar el poder del vapor de forma económica y éste fue
Thomas Newcomen quien con su ayudante John Calley inventó una nueva máquina que
denominó Máquina de vapor atmosférica (1705).
La máquina constaba de un generador de vapor, cilindro y pistón donde se condensaba el
vapor inicialmente mojando su superficie con agua fría y posteriormente inyectando
además en su interior un chorro de agua y consiguiendo así hasta 10 o 12 golpes por
minuto. El émbolo movía a su vez a través de un mecanismo de palanca las bombas que se
empleaban en el agotamiento —extracción de agua— de las minas. Salvo la automatización
de las válvulas introducida por el joven Potter, la máquina de Newcomen no sufrió
modificaciones de importancia durante años. Más tarde John Smeaton estudió
experimentalmente las proporciones más adecuadas de la máquina de Newcomen
determinando que los cilindros debían ser de mayor longitud que los que se venían
empleando y que por lo general las calderas eran demasiado pequeñas. En 1774 construyó
en Long Benton la primera máquina de este tipo.
A pesar que esta máquina era ampliamente usada en los distritos mineros de Inglaterra a
mediados del siglo XVIII, sin embargo, su alto consumo de combustible dificulto que fuese
aplicada a otras actividades industriales.
Máquina de Expansión:
James Watt se propuso mejorar la máquina de Newcomen descubriendo en el curso de sus
experimentos que el vapor era una reserva de calor mucho más vasta que el agua y
comprendiendo que era necesario limitar todas las pérdidas de calor que se producían en la
artesanal máquina de Newcomen para disminuir el consumo de combustible, principal
hándicap de estas máquinas. 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:
1. 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.
2. 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.
33. El aire y otros gases no condensables se extraerán de cilindro y condensadores
mediante bombas accionadas por la propia máquina u otros medios.
4. 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 atmósfera [máquinas
de escape libre].
Los dos primeros puntos anticipan con medio siglo de adelanto las conclusiones de los
trabajos de Sadi Carnot referentes al rendimiento de las máquinas térmicas cuyo máximo se
obtiene mediante el denominado ciclo de Carnot cuya característica es que los intercambios
de calor se hacen a temperatura constante entre los focos caliente y frío, tal como se
desprende de las consideraciones de Watt, aunque en la práctica las máquinas de vapor
funcionen por consideraciones económicas según el ciclo de Rankine, modificación del
anterior.
La utilización del condensador no permitió solamente triplicar el rendimiento de la máquina
de Newcomen, sino que además propició que Watt cayera en la cuenta de que era posible
aprovechar la expansión del vapor para mover el cilindro disminuyendo la cantidad de
vapor empleada en cada ciclo, no en vano, se podía escuchar el ruido que hacía el vapor a
presión cuando finalizada la carrera se precipitaba al condensador.
Máquina de expansión múltiple:
Las máquinas de expansión múltiple o compound son aquellas en las que el vapor transita
por varios cilindros consecutivos expandiéndose parcialmente en ellos.
Impacto en la Industria:
En 1784 Watt patentó el martillo de vapor y ése mismo año comenzaron las obras de un
molino de trigo en Londres, plan acariciado por Boulton para promocionar su máquina que
aún no había conseguido consolidarse en el mercado. En el periodo 1775-1800 Boulton y
Watt construyeron 321 máquinas número que no difiere mucho de las construidas en el
mundo ya que la piratería tuvo, no sin esfuerzo de Boulton y Watt que litigaron a menudo
para defender su monopolio, escasa importancia. Al margen de las actividades mineras y la
elevación de agua en diferentes industrias la máquina de vapor encajó con relativa facilidad
en las nuevas actividades así, esta se aplicaría enseguida a otras industrias, como la textil.
El accionamiento mecánico de los telares permitió multiplicar su velocidad de trabajo por
un factor de cien la industria de la lana, labor doméstica tradicional y aun por industrializar
tan sólo usaba nueve máquinas, mientras la industria del algodón y auxiliares (secado,
blanqueado, estampación, etc.) empleaba 84 máquinas.
También fue de importancia su uso en la industria pesada del acero para el soplado de
hornos y el accionamiento de martillos. Estas industrias que necesitaban grandes cantidades
de carbón para la fundición de los metales se ubican en los distritos mineros donde no
siempre existían cursos de agua que suministraran la energía necesaria de forma
económica. En estos casos la máquina de vapor era la opción lógica como demostraba la
4experiencia de John Wilkinson pionero en la utilización de las máquinas de Boulton y Watt
en la industria del acero.
En la industria de la cerveza la introducción de la máquina de vapor, en torno a 1790,
provocó una importante concentración de la producción, antes muy distribuida, hasta el
punto de que en 1796 sólo había 12 fábricas de importancia. Procesos de concentración de
capitales se produjeron también en las demás industrias citadas, y aunque en el resto de
actividades la implantación de la máquina de vapor era aún testimonial todas ellas se verían
afectadas por su introducción en el transporte durante el siglo XIX, primero en el ferrocarril
y posteriormente en la navegación.
Curiosamente y al hilo de lo apuntado la implantación de la máquina de vapor no resultó en
la deslocalización de las industrias que movidas por un motor que no precisaba de cursos de
agua o vientos regulares podía instalarse donde quisiera, más bien al contrario, las
deficientes comunicaciones existentes provocaron la concentración industrial en los
distritos mineros, abandonando los talleres de las ciudades. La disponibilidad de
combustible fue el criterio predominante de localización industrial hasta bien entrado el
siglo XIX cuando el ferrocarril y el barco de vapor cambiaron la situación y permitió que
las industrias se trasladaran a las ciudades
Principio de funcionamiento:
La máquina de vapor es un 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. Los sistemas domésticos de calefacción cuentan con una
caldera de este tipo, pero las plantas de generación de energía utilizan sistemas de diseño
más complejo que cuentan con varios dispositivos auxiliares. La eficiencia de los motores
de vapor es baja por lo general, lo que hace que en la mayoría de las aplicaciones de
generación de energía se utilicen turbinas de vapor en lugar de máquinas de vapor.
ESTUDIO DEL CASO: Construcción de una máquina de vapor casera.
La idea de construir un prototipo de máquina de vapor nace, de conocer la importancia que
han tenido inventos de este tipo, en los que se adoptan y se adaptan diferentes elementos de
la naturaleza conocidos y casi triviales como lo es el vapor de agua, artefactos previamente
construidos y conocimientos previamente estudiados, todo en pro de la construcción de un
gran proyecto que permita satisfacer una necesidad existente en la sociedad, pues realmente
es el motor del progreso científico, suplir cada vez de manera más eficiente las necesidades
del ser humano, así muchas veces estas “necesidades” sean impuestas por la misma
sociedad.
5En el caso de la máquina de vapor cada adaptación que se hacía a estas máquinas
primitivas, permitió que hayan sido precisamente el motor energético de los últimos tres
siglos, al punto de que hoy en día el 80% o más de la energía del mundo se produce a través
de máquinas de vapor.
Nuestra máquina de vapor trabaja en un ciclo abierto, pues no dispone de ningún tipo de
condensador, este ciclo opera de la siguiente forma: un depósito contiene agua para y
trabaja como una caldera, por gravedad el agua baja a los tubos de cobre en forma de
espiral, que se encuentran en el hogar.
En la caldera (donde se le entrega el calor Q), el agua comienza a ebullir, formando vapor.
El vapor se extrae de la caldera en la parte superior. Por gravedad, sólo tiende a salir vapor
saturado, por lo tanto, sale de la caldera con una calidad muy cercana a x=1. Luego el vapor
(a presión) es conducido al pistón, produciendo el trabajo W.
El pistón descarga el vapor utilizado al ambiente que está a 1 atm. Por lo tanto, el vapor se
condensa a 100ºC.
Nuestra adaptación no requiere bomba pues el tanque de almacenamiento del agua se
encuentra sobre la fuente de calor, por lo que no requiere ser transportado hasta una
caldera. (ver esquema 1)
W
[Esquema 1]
Diagramas P-v y T-v
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. Al caer por
gravedad su presión hasta es estado (2).
Como lo que se comprime es solo líquido, el
volumen de (2) es ligeramente inferior al de
(1). Luego esta agua a presión se inyecta en
la caldera. Allí alcanza primero el estado de
saturación (intersección de línea 2-3 con
campana de cambio de fase) y luego
comienza la ebullición dentro de la caldera.
Este proceso es a temperatura y presión constante. El vapor sale de la caldera en el estado
(3), como vapor saturado (en teoría, realmente siempre tiene un título ligeramente inferior a
x=1). Luego se expande haciendo mover el pistón generando trabajo y es expulsado a la
atmósfera.
6Por lo tanto, la máquina opera entre la presión pcald y patm, las que tienen asociadas la
temperatura de ebullición del vapor en la caldera y la temperatura de condensación del agua
en la atmósfera (100ºC).
En diagrama T-S el ciclo abierto se
describe como sigue: El agua está
inicialmente a Tamb y en estado líquido
(1), luego hay una ligera compresión
que en teoría es isentrópica, en
realidad la entropía aumenta un poco.
En todo caso, los estados (1) y (2)
están muy cercas (la temperatura
apenas sube). Al inyectarse el agua a
presión a la caldera, la entropía
aumenta fuertemente, pues este es un
proceso irreversible. Luego comienza la ebullición del agua en la caldera (desde la
intersección con la campana de cambio de fase hasta el estado 3). En (3) el vapor se
expande en el pistón, generando el trabajo W. Esta expansión en teoría es isentrópica. El
vapor descarga en el estado (4), el que corresponde a la presión ambiente y temperatura de
100ºC. Luego este vapor condensa en la atmósfera a 100ºC y luego se sigue enfriando hasta
el estado inicial.
Materiales:
● Una lata de pintura de 4 L o 1 galón (de preferencia no usada, pero, de lo contrario,
limpiada con agua y jabón)
● Lata de pintura de 1 L o ¼ de galón (igual que la anterior)
● 6 m de un tubo de cobre de ¼ de pulgada
● Cinta metálica
● 2 corchos
● Caja de conexiones eléctricas de metal y de forma circular
● Abrazadera para cables compatible con la caja de conexiones
● 15 cm de un tubo de cobre de 1/2 pulgada
● Malla metálica de 12x24 cm
● 35 cm de tubo de plástico duro de 1/8 o 1/4 de pulgada
● 2 abrazaderas de manguera para tubos de plástico
● Carbón vegetal (de preferencia, que se prenda con fósforos)
● Brocheta para barbacoa
● 1,5 cm de una varilla de madera de 3/8 pulgadas (abierta en un extremo)
● Destornillador
● Taladro
● Martillo
● Tijeras de hojalatero
● Alicate
Proceso de construcción:
12456
789
Balance de Energía:
�̇ + ̇ ℎ + �� + �� = �̇ + ̇ ℎ + �� + ��
�̇ = � ̇ ��
�: �� � � � � �� � � �
8
3ESTADO ESTADO
1
2
0,6989
0,00156
m (Kg)
3
0,6058
v (m /Kg) 0,0010016
73,46
300
P (KPa)
18
133,55
T (°C)
54,584
2725,3
h (KJ/Kg)
[Tabla 1.0 Definición de Estados]
A partir de las ecuaciones anteriores, y los datos recolectados experimentalmente, y
teóricamente gracias a tablas de Van Wylen y conceptos previos, obtenemos:
�=
�=−
,
∗
∗ ,
�=
∗
,
�=�+ ℎ −
+ ,
∗ ,
�=−
,
−
ℎ
−
,
∗
,
Por lo tanto, la eficiencia “teórica” de la maquina es:
|�|
∗
�=
�
,
�=
∗
,
�= , %
Análisis De Resultados:
En cuanto a la adaptación de la maquina se tuvieron que realizar algunos cambios durante
la marcha, uno de ellos el tipo de malla que se estaba utilizando, pues esta no resistía el
peso, y al calentarse se comenzaba a caer.
Los resultados de eficiencia, pese a ser teóricos son bajos, sin embargo, se calcula un poco
más bajo aun el valor real, pues la maquina presentaba ciertas fugas de vapor que, aunque
en principio servían para controlar la presión del sistema, hacen menos eficiente el proceso.
Otro factor de influencia en el rendimiento, es la falta de aire para la combustión del
carbón, una sugerencia es el uso de un secador de pelo para avivar el fuego, sin embargo,
esto nos pareció un tanto inútil finalmente, pues tendríamos que introducir una variable
calculando la energía gastada en el secador.
Adicionalmente, otros factores de influencia son, el intercambio de calor que también existe
con el ambiente y así mismo la resistencia de los materiales a la hora de calentar el agua.