Máquinas a vapor
Máquinas de vapor.
Las máquinas de vapor son ingenios mecánicos que entregan energía mecánica en un eje en movimiento de rotación a expensas de la energía contenida en vapor de agua a alta presión y temperatura.
Las máquinas de vapor pueden clasificarse en:
Máquinas de émbolo.
Turbinas.
Máquinas de émbolo
Las primeras máquinas de vapor se desarrollaron utilizando un émbolo o pistón acoplado a un mecanismo del tipo pistón-biela cigüeñal al que se le aplicaba el vapor a alta presión y temperatura sincronizado con un juego de válvulas para lograr el movimiento.
El esquema de la izquierda (figura 1) representa una máquina elemental de vapor a émbolo, de doble efecto.
Los vapores a alta presión y temperatura procedentes de un generador de vapor tal como una caldera, se introducen a una cámara donde hay una válvula de control. Esta válvula de control es accionada de manera sincronizada por un mecanismo acoplado al cigüeñal de la máquina. El movimiento de desplazamiento de la válvula de control, hace que la cámara de entrada, donde está el vapor de suministro, se comunique de forma alternada, a la parte superior o inferior del émbolo empujándolo en ambas direcciones para hacer rotar el cigüeñal. Al mismo tiempo esta válvula de control establece la comunicación del lado opuesto del émbolo, al conducto de salida para dejar escapar los vapores fríos y a baja presión inútiles ya, para entregar energía.
Esta máquina elemental es muy ineficiente porque los vapores que se vierten al exterior están aun calientes y a suficiente presión como para realizar mas trabajo útil. Para resolver este asunto se utilizan las máquinas de varias etapas, donde el vapor de desecho de una etapa se introduce en otra con un émbolo mas grande para aprovechar mas aun la energía que contiene, el esquema que sigue (figura 2) representa una máquina de vapor de émbolo de tres etapas.
Figura 1
Obsérvese que el vapor de una etapa se introduce en la que sigue para accionar un pistón cada vez mas grande, de esta forma la energía del vapor final de salida, se ha aprovechado al máximo.
Este incremento del tamaño del émbolo es necesario para que cada etapa de la máquina de vapor, pueda entregar aproximadamente la misma fuerza de accionamiento, teniendo en cuenta que cada vez el vapor tiene menos presión, y la fuerza de empuje es el producto de la presión, por el área del pistón.
Observe también el funcionamiento de la válvula de control en la comunicación del vapor a las partes de trabajo de la máquina.
Figura 2
Turbinas
Las viejas máquinas de vapor han ido dando paso a las turbinas por su durabilidad, seguridad, relativa simplicidad y mayor eficiencia.
En la turbina, un chorro de vapor de agua a elevada presión y temperatura, se hace incidir de manera adecuada sobre una hélice con álabes de sección apropiada. Durante el paso del vapor entre los álabes de la hélice, este se expande y enfría entregando la energía y empujando los álabes para hacer girar la hélice colocada sobre el eje de salida de la turbina.
El dibujo de la izquierda (figura 3) representa de manera esquemática como funciona la turbina. El chorro de vapor de entrada se dirige a través de un conducto para que incida sobre los álabes en el ángulo mas adecuado.
En una turbina pueden haber varios conductos directores de flujo.
Abajo están representados dos álabes contiguos y el flujo del vapor pasando entre ellos. Mientras pasa por los álabes, el vapor produce un empuje que hace girar la hélice, durante este proceso pierde energía por lo que se enfría y baja su presión.
Al igual que en el caso de la máquina a émbolos el vapor de salida de la hélice de la turbina, aun posee energía suficiente para entregar trabajo, por lo que una turbina real tiene múltiples etapas, con hélices cada vez de mayor tamaño donde se extrae esa energía sobrante y así aumentar notablemente el rendimiento.
El dibujo a continuación (figura 4) representa una turbina de varias etap
Figura 3
as:
Figura 4