Máquina de vapor
Definición
Una máquina de vapor es una máquina de calor que realiza trabajo mecánico usando vapor como fluido de trabajo. En términos simples, la máquina de vapor utiliza el principio de expansión de la química, donde el calor aplicado al agua evapora el agua en vapor, y la fuerza generada empuja un pistón hacia adelante y hacia atrás dentro de un cilindro. Esta fuerza de empuje se transforma típicamente, por medio de una biela y un volante, en una fuerza de rotación para el trabajo. El término "máquina de vapor" se aplica generalmente solo a los motores recíprocos como se acaba de describir, no a la turbina de vapor.
Los motores de vapor son motores de combustión externa, donde el fluido de trabajo está separado de los productos de combustión. Se pueden usar fuentes de calor no de combustión tales como energía solar, energía nuclear o energía geotérmica. El ciclo termodinámico ideal utilizado para analizar este proceso se llama ciclo de Rankine. En el ciclo, el agua se calienta y se transforma en vapor en una caldera que funciona a alta presión. Cuando se expande usando pistones o turbinas, el trabajo mecánico está hecho. El vapor a presión reducida se expulsa luego a la atmósfera, o se condensa y bombea de nuevo a la caldera.
En el uso general, el término motor de vapor puede referirse a plantas de vapor completas (incluyendo calderas, etc.) como locomotoras de vapor ferroviarias y motores portátiles, o puede referirse solo a la maquinaria de pistón o turbina, como en el motor de viga y la máquina de vapor estacionaria . Sin embargo, una mirada más detallada a la locomotora de vapor se refería al motor como solo aquella parte donde el calor en el vapor se convertía en movimiento del pistón, y por lo tanto permitía declaraciones separadas para la eficiencia de la caldera y el motor. Los dispositivos especializados como los martillos de vapor y los impulsores de pila de vapor dependen de la presión de vapor suministrada por una caldera separada.
El uso de agua hirviendo para producir movimiento mecánico se remonta a más de 2000 años, pero los primeros dispositivos no fueron prácticos. El inventor español Jerónimo de Ayanz y Beaumont obtuvo una patente para una bomba de agua rudimentaria a vapor en 1606. En 1698, Thomas Savery patentó una bomba de vapor que utilizaba vapor en contacto directo con el agua que se bombeaba. La bomba de vapor de Savery usó vapor de condensación para crear un vacío parcial y extraer agua en una cámara, y luego aplicó vapor presurizado para bombear aún más el agua.
El motor atmosférico de Thomas Newcomen fue el primer motor comercial de vapor que utilizaba un pistón, y se usó en 1712 para eliminar el agua de inundación de una mina. 104 estaban en uso en 1733. Eventualmente más de dos mil de ellos fueron instalados.
En 1781, el ingeniero escocés James Watt patentó una máquina de vapor que producía un movimiento giratorio continuo. Los motores de diez caballos de Watt permitieron alimentar una amplia gama de maquinaria de fabricación. Los motores podrían ubicarse en cualquier lugar donde se pueda obtener agua y carbón o leña. Antes de 1883, los motores que podrían proporcionar 10,000 caballos de fuerza habían llegado a ser factibles. La máquina de vapor estacionaria era un componente clave de la Revolución Industrial, lo que permitía a las fábricas localizar donde no había agua disponible. Los motores atmosféricos de Newcomen y Watt eran grandes en comparación con la cantidad de energía que producían, pero los motores de vapor de alta presión eran lo suficientemente ligeros como para aplicarse a vehículos como los motores de tracción y las locomotoras de ferrocarril.
Los motores de pistón de pistón alternativo siguieron siendo la fuente de energía dominante hasta principios del siglo XX, cuando los avances en el diseño de motores eléctricos y motores de combustión interna gradualmente dieron como resultado el reemplazo de motores de vapor alternativos (pistón) en uso comercial y la ascendencia del vapor turbinas en generación de energía. Teniendo en cuenta que la gran mayoría de la generación eléctrica mundial es producida por motores de vapor tipo turbina, la "era del vapor" continúa con niveles de energía mucho más allá de los del siglo XIX y XX.
Historia
Primeros diseños y modificaciones
Aunque los dispositivos de vapor se desarrollaron antes de la primera máquina de vapor de pistón práctica, no se conectaron directamente al motor atmosférico Newcomen. El Newcomen impulsa su desarrollo al descubrimiento de la presión atmosférica y a la información técnica compartida cuyo camino es trazable. Para el desarrollo de la máquina de vapor comercial, consulte: Historia de la máquina de vapor. # Desarrollo de la máquina de vapor comercial.
- En el Egipto romano, el aeolipila (también conocido como motor de un héroe ) descrito por Hero of Alexandria en el siglo I d. C. se considera la primera máquina de vapor registrada. El torque fue producido por los chorros de vapor que salen de la turbina.
- En Egipto otomano, el inventor Taqi al-Din Muhammad ibn Ma'ruf describió un dispositivo de turbina de vapor para rotar una saliva en 1551.
- En el Imperio español, el inventor Jerónimo de Ayanz y Beaumont obtuvo una patente para una bomba de agua a vapor rudimentaria en 1606.
- Thomas Savery, en 1698, patentó la primera máquina de vapor a presión atmosférica práctica de 1 caballo de fuerza (750 W). No tenía pistón ni piezas móviles, solo golpecitos. Era un camión de bomberos , una especie de sifón térmico, en el que el vapor ingresaba en un contenedor vacío y luego se condensaba. El vacío así creado se utilizó para succionar agua del sumidero en el fondo de la mina. El "camión de bomberos" debía montarse a 25 pies (8 m) del nivel del agua, aunque luego podía elevar el agua otros 80 pies (24 m) utilizando presión positiva.
- Thomas Newcomen, en 1712, desarrolló el primer motor de vapor de pistón comercialmente exitoso de 5 caballos de fuerza (3,700 W). Su principio era condensar el vapor en un cilindro, causando presión atmosférica para conducir un pistón y producir trabajo mecánico.
- James Watt, en 1781, patentó una máquina de vapor que producía un movimiento giratorio continuo con una potencia de aproximadamente 10 caballos de fuerza (7.500 W). Fue el primer tipo de máquina de vapor en utilizar vapor a una presión justo por encima de la atmosférica para impulsar el pistón ayudado por un vacío parcial. Fue una mejora del motor de Newcomen.
- Después de que Richard Trevithick inventó el motor de vapor liviano y de alta presión en 1797-1799, las máquinas de vapor se volvieron lo suficientemente pequeñas como para ser utilizadas en pequeñas empresas y para el uso en locomotoras de vapor.
Desde principios del siglo XVIII, el poder del vapor se ha aplicado a una variedad de usos prácticos. Al principio funcionaba con bombas recíprocas, pero a partir de la década de 1780 empezaron a aparecer los motores rotativos (los que convertían el movimiento recíproco en movimiento giratorio), lo que impulsaba la maquinaria de la fábrica, como los telares mecánicos. El control de velocidad en respuesta a la carga cambiante hizo que la aplicación directa de una máquina de vapor a la maquinaria de giro fuera poco práctica hasta la invención del motor Corliss en 1848. Hasta entonces, las máquinas de vapor se usaban para bombear agua y girar una rueda hidráulica que alimentaba la maquinaria de hilar. A comienzos del siglo XIX, el transporte a vapor tanto en el mar como en la tierra comenzó a hacer su aparición, haciéndose cada vez más dominante a medida que avanzaba el siglo.
Se puede decir que los motores de vapor han sido la fuerza motriz de la Revolución Industrial y han visto un uso generalizado de maquinaria para el manejo comercial en fábricas, molinos y minas; alimentar estaciones de bombeo; y dispositivos de transporte de propulsión tales como locomotoras de ferrocarril, barcos, barcos de vapor y vehículos de carretera. Su uso en la agricultura condujo a un aumento en la tierra disponible para el cultivo. En algún momento hubo tractores agrícolas a vapor, motocicletas (sin mucho éxito) e incluso automóviles como el Stanley Steamer.
El peso de las calderas y los condensadores generalmente hace que la relación potencia / peso de una planta de vapor sea menor que la de los motores de combustión interna. Para aplicaciones móviles, el vapor ha sido reemplazado en gran medida por motores de combustión interna o motores eléctricos. Sin embargo, la mayor parte de la energía eléctrica se genera utilizando una planta de turbina de vapor, de modo que, indirectamente, la industria mundial aún depende de la potencia de vapor. Las preocupaciones recientes sobre las fuentes de combustible y la contaminación han provocado un renovado interés en el vapor como componente de los procesos de cogeneración y como motor principal. Esto se está convirtiendo en el movimiento avanzado de Steam.
Experimentos tempranos
La historia de la máquina de vapor se remonta al siglo primero; el primer "motor" rudimentario a vapor registrado es el aeolipila descrito por Hero of Alexandria, un matemático e ingeniero en el Egipto romano. En los siglos siguientes, los pocos "motores" de vapor conocidos eran, como el aeolípilo, dispositivos esencialmente experimentales utilizados por los inventores para demostrar las propiedades del vapor. Un dispositivo de turbina de vapor rudimentario fue descrito por Taqi al-Din en Egipto otomano en 1551 y por Giovanni Branca en Italia en 1629. Jerónimo de Ayanz y Beaumont recibió patentes en 1606 de cincuenta invenciones a vapor, incluida una bomba de agua para drenar minas inundadas. Denis Papin, un Huguenotrefugee, hizo un trabajo útil en el digestor de vapor en 1679, y usó por primera vez un pistón para levantar pesas en 1690.
Motores de bombeo
El primer dispositivo comercial a vapor fue una bomba de agua, desarrollada en 1698 por Thomas Savery. Usó vapor de condensación para crear un vacío que se utilizó para elevar el agua desde abajo, luego utilizó la presión del vapor para elevarlo más. Los motores pequeños fueron efectivos aunque los modelos más grandes fueron problemáticos. Solo demostraron tener una altura de elevación limitada y eran propensos a explosiones de calderas. Recibió cierto uso en minas, estaciones de bombeo y para el suministro de ruedas hidráulicas utilizadas para alimentar maquinaria textil. Una característica atractiva del motor Savery fue su bajo costo. Bento de Moura Portugal introdujo una mejora ingeniosa de la construcción de Savery "para hacerla capaz de funcionar por sí misma", como describió John Smeaton en las Philosophical Transactions publicadas en 1751. Continuó fabricándose hasta fines del siglo XVIII.
Motores de vapor de pistón
El primer motor verdadero comercialmente exitoso, en el sentido de que podía generar energía y transmitirlo a una máquina, era el motor atmosférico, inventado por Thomas Newcomen alrededor de 1712. Fue una mejora con respecto a la bomba de vapor de Savery, utilizando un pistón propuesto por Papin. El motor de Newcomen era relativamente ineficiente, y en la mayoría de los casos se usaba para bombear agua. Funcionó creando un vacío parcial al condensar vapor debajo de un pistón dentro de un cilindro. Se empleó para drenar el trabajo de la mina a profundidades hasta ahora imposibles, y también para proporcionar un suministro de agua reutilizable para conducir ruedas hidráulicas en fábricas ubicadas lejos de una "cabeza" adecuada. El agua que había pasado por encima de la rueda fue bombeada a un depósito de almacenamiento encima de la rueda.
En 1720, Jacob Leupold describió una máquina de vapor de alta presión de dos cilindros. La invención fue publicada en su obra principal "Theatri Machinarum Hydraulicarum". El motor usó dos pistones pesados para proporcionar movimiento a una bomba de agua. Cada pistón se elevó por la presión del vapor y volvió a su posición original por gravedad. Los dos pistones compartían una válvula rotativa de cuatro vías común conectada directamente a una caldera de vapor.
El siguiente gran paso ocurrió cuando James Watt desarrolló (1763-1775) una versión mejorada del motor de Newcomen, con un condensador separado. Los primeros motores de Boulton y Watt usaban la mitad de carbón que la versión mejorada de Newcomen de John Smeaton. Los primeros motores de Watcom y de Newcomen fueron "atmosféricos". Eran impulsados por la presión del aire empujando un pistón en el vacío parcial generado por la condensación de vapor, en lugar de la presión del vapor en expansión. Los cilindros del motor tenían que ser grandes porque la única fuerza utilizable que actuaba sobre ellos se debía a la presión atmosférica.
Watt procedió a desarrollar su motor aún más, modificándolo para proporcionar un movimiento de rotación adecuado para manejar maquinaria de fábrica. Esto permitió que las fábricas se ubicaran lejos de los ríos, y aceleró aún más el ritmo de la Revolución Industrial.
Motores de alta presión
El significado de alta presión, junto con un valor real por encima del ambiente, depende de la época en que se utilizó el término. Para un uso temprano del término, Van Reimsdijk se refiere a que el vapor está a una presión suficientemente alta como para que pueda ser evacuado a la atmósfera sin depender de un vacío para permitirle realizar un trabajo útil. Ewing afirma que los motores de condensación de Watt eran conocidos, en ese momento, como baja presión en comparación con los motores de alta presión y sin condensación del mismo período.
La patente de Watt impedía a otros fabricar motores de alta presión y compuestos. Poco después de que expirara la patente de Watt en 1800, Richard Trevithick y, por separado, Oliver Evans en 1801 introdujeron motores que usaban vapor a alta presión; Trevithick obtuvo su patente de motor de alta presión en 1802, y Evans había fabricado varios modelos de trabajo antes de esa fecha. Estos eran mucho más potentes para un tamaño de cilindro dado que los motores anteriores y podían fabricarse lo suficientemente pequeños para aplicaciones de transporte. A partir de entonces, los avances tecnológicos y las mejoras en las técnicas de fabricación (en parte debido a la adopción de la máquina de vapor como fuente de energía) dieron como resultado el diseño de motores más eficientes que podrían ser más pequeños, más rápidos o más potentes, según la aplicación prevista.
El motor de Cornish fue desarrollado por Trevithick y otros en la década de 1810. Era un motor de ciclo compuesto que usaba vapor de alta presión de manera expansiva, luego condensaba el vapor a baja presión, lo que lo hacía relativamente eficiente. El motor de Cornualles tuvo un movimiento irregular y un par motor a lo largo del ciclo, limitándolo principalmente al bombeo. Motores de Cornualles fueron utilizados en las minas y para el suministro de agua hasta finales del siglo XIX.
Motor estacionario horizontal
Los primeros constructores de motores de vapor estacionarios consideraban que los cilindros horizontales estarían sujetos a un desgaste excesivo. Por lo tanto, sus motores estaban dispuestos con el eje del pistón vertical. Con el tiempo, la disposición horizontal se hizo más popular, permitiendo que los motores compactos pero potentes se instalaran en espacios más pequeños.
La cúspide del motor horizontal fue la máquina de vapor Corliss, patentada en 1849, que era un motor de contraflujo de cuatro válvulas con válvulas de admisión y escape de vapor separadas y corte automático de vapor variable. Cuando Corliss recibió la Medalla Rumford, el comité dijo que "ninguna invención desde la época de Watt ha mejorado la eficiencia de la máquina de vapor". Además de usar un 30% menos de vapor, proporcionó una velocidad más uniforme debido al corte de vapor variable, por lo que es muy adecuado para la fabricación, especialmente el hilado de algodón.
Vehiculos de carretera
Los primeros vehículos experimentales en marcha a vapor se construyeron a finales del siglo XVIII, pero no fue hasta después de que Richard Trevithick desarrolló el uso de vapor a alta presión, alrededor de 1800, que las máquinas de vapor móviles se convirtieron en una propuesta práctica. La primera mitad del siglo 19 vio un gran progreso en el diseño de vehículos de vapor, y en la década de 1850 se estaba convirtiendo en viable para producir en forma comercial. Este progreso fue atenuado por la legislación que limitaba o prohibía el uso de vehículos a vapor en las carreteras. Las mejoras en la tecnología de los vehículos continuaron desde la década de 1860 hasta la década de 1920. Los vehículos de Steam Road se usaron para muchas aplicaciones. En el siglo XX, el rápido desarrollo de la tecnología de motores de combustión interna condujo a la desaparición de la máquina de vapor como fuente de propulsión de vehículos sobre una base comercial. con relativamente pocos en uso más allá de la Segunda Guerra Mundial. Muchos de estos vehículos fueron adquiridos por entusiastas para la preservación, y existen numerosos ejemplos. En la década de 1960, los problemas de contaminación del aire en California dieron lugar a un breve período de interés en el desarrollo y el estudio de los vehículos a vapor como un posible medio para reducir la contaminación. Además del interés de los entusiastas del vapor, el vehículo réplica ocasional y la tecnología experimental, actualmente no se fabrican vehículos a vapor. En la década de 1960, los problemas de contaminación del aire en California dieron lugar a un breve período de interés en el desarrollo y el estudio de los vehículos a vapor como un posible medio para reducir la contaminación. Además del interés de los entusiastas del vapor, el vehículo réplica ocasional y la tecnología experimental, actualmente no se fabrican vehículos a vapor. En la década de 1960, los problemas de contaminación del aire en California dieron lugar a un breve período de interés en el desarrollo y el estudio de los vehículos a vapor como un posible medio para reducir la contaminación. Además del interés de los entusiastas del vapor, el vehículo réplica ocasional y la tecnología experimental, actualmente no se fabrican vehículos a vapor.
Motores marinos
Hacia fines del siglo XIX, los motores compuestos comenzaron a tener un uso generalizado. Los motores compuestos agotaron el vapor en cilindros sucesivamente más grandes para acomodar los mayores volúmenes a presiones reducidas, proporcionando una mayor eficiencia. Estas etapas se llamaron expansiones, siendo comunes los motores de expansión doble y triple, especialmente en el transporte marítimo, donde la eficiencia era importante para reducir el peso del carbón transportado. Los motores de vapor siguieron siendo la fuente de energía dominante hasta principios del siglo XX, cuando los avances en el diseño de motores eléctricos y motores de combustión interna gradualmente dieron como resultado el reemplazo de motores de vapor alternativos (pistón), con envíos en el siglo XX dependientes de la turbina de vapor .
Locomotoras de vapor
A medida que el desarrollo de las máquinas de vapor progresó durante el siglo XVIII, se hicieron varios intentos para aplicarlas al uso de carreteras y ferrocarriles. En 1784, William Murdoch, un inventor escocés, construyó un prototipo de locomotora de vapor. Un modelo de trabajo temprano de una locomotora de ferrocarril a vapor fue diseñado y construido por el pionero del barco de vapor John Fitch en los Estados Unidos, probablemente durante la década de 1780 o 1790. Su locomotora de vapor utilizaba ruedas con palas interiores guiadas por rieles o pistas.
La primera locomotora a vapor de gran escala fue construida por Richard Trevithick en el Reino Unido y, el 21 de febrero de 1804, tuvo lugar el primer viaje ferroviario mundial cuando la locomotora de vapor sin nombre de Trevithick arrastró un tren a lo largo del tranvía desde Pen-y-darren. ferretería, cerca de Merthyr Tydfil a Abercynon en el sur de Gales. El diseño incorporó una serie de innovaciones importantes que incluyeron el uso de vapor a alta presión que redujo el peso del motor y aumentó su eficiencia. Trevithick visitó el área de Newcastle más tarde en 1804 y los ferrocarriles de mina de carbón en el noreste de Inglaterra se convirtieron en el principal centro de experimentación y desarrollo de locomotoras de vapor.
Trevithick continuó sus propios experimentos utilizando un trío de locomotoras, concluyendo con Catch Me Who Can en 1808. Solo cuatro años después, la exitosa locomotora bicilíndrica Salamanca de Matthew Murray fue utilizada por la cremallera de borde y el piñón Middleton Railway. En 1825, George Stephenson construyó la locomoción para Stockton y Darlington Railway. Este fue el primer ferrocarril de vapor público en el mundo y luego, en 1829, construyó The Rocket, en el que se inscribió y ganó los ensayos Rainhill. El Ferrocarril de Liverpool y Manchester se inauguró en 1830 haciendo uso exclusivo de la potencia de vapor para los trenes de pasajeros y de carga.
Las locomotoras de vapor continuaron fabricándose hasta fines del siglo XX en lugares como China y la antigua Alemania del Este (donde se produjo la Clase 52.80 de DR).
Turbinas de vapor
La última gran evolución del diseño de la máquina de vapor fue el uso de turbinas de vapor que comenzó a fines del siglo XIX. Las turbinas de vapor son generalmente más eficientes que los motores de vapor de pistón alternativo (para salidas superiores a varios cientos de caballos de fuerza), tienen menos piezas móviles y proporcionan energía rotatoria directamente en lugar de a través de un sistema de bielas o medios similares. Las turbinas de vapor reemplazaron virtualmente a los motores alternativos en las estaciones generadoras de electricidad a principios del siglo XX, donde su eficiencia, mayor velocidad apropiada para el servicio del generador y la rotación suave fueron ventajas. En la actualidad, la mayor parte de la energía eléctrica proviene de turbinas de vapor. En los Estados Unidos, el 90% de la energía eléctrica se produce de esta manera utilizando una variedad de fuentes de calor.
Desarrollo actual
A pesar de que la máquina de vapor alternativo ya no tiene un uso comercial generalizado, varias compañías están explorando o explotando el potencial del motor como alternativa a los motores de combustión interna. La compañía Energiprojekt AB en Suecia ha progresado en el uso de materiales modernos para aprovechar el poder del vapor. La eficiencia de la máquina de vapor de Energiprojekt llega a un 27-30% en motores de alta presión. Es un motor de un solo paso, de 5 cilindros (sin compuesto) con vapor sobrecalentado y consume aprox. 4 kg (8,8 lb) de vapor por kWh.
Componentes y accesorios de máquinas de vapor
Hay dos componentes fundamentales de una planta de vapor: la caldera o el generador de vapor, y la "unidad de motor", que se conoce a sí misma como una "máquina de vapor". Las máquinas de vapor estacionarias en edificios fijos pueden tener la caldera y el motor en edificios separados a cierta distancia. Para uso portátil o móvil, como locomotoras de vapor, las dos están montadas juntas.
El motor recíproco ampliamente utilizado consistía típicamente en un cilindro de hierro fundido, pistón, varilla de conexión y viga o una manivela y volante, y enlaces misceláneos. Steam fue alternativamente suministrado y agotado por una o más válvulas. El control de velocidad era automático, con un gobernador o con una válvula manual. La fundición del cilindro contenía puertos de suministro y escape de vapor.
Los motores equipados con un condensador son un tipo diferente a los que se agotan en la atmósfera.
Otros componentes a menudo están presentes; bombas (como un inyector) para suministrar agua a la caldera durante el funcionamiento, condensadores para recircular el agua y recuperar el calor latente de vaporización, y sobrecalentadores para elevar la temperatura del vapor por encima de su punto de vapor saturado, y varios mecanismos para aumentar la proyecto de fogones. Cuando se usa carbón, se puede incluir un mecanismo de alimentación de cadena o tornillo y su motor o motor de accionamiento para mover el combustible de un depósito de suministro (bunker) al fogón. Ver: fogonero mecánico
Fuente de calor
El calor requerido para hervir el agua y elevar la temperatura del vapor puede derivarse de diversas fuentes, más comúnmente de la quema de materiales combustibles con un suministro adecuado de aire en un espacio cerrado (denominado cámara de combustión diversa, cámara de combustión, horno). En algunos casos, la fuente de calor es un reactor nuclear, energía geotérmica, energía solar o calor residual de un motor de combustión interna o proceso industrial. En el caso de los motores de vapor modelo o de juguete, la fuente de calor puede ser un elemento de calentamiento eléctrico.
Calderas
Las calderas son recipientes a presión que contienen agua para hervir y características que transfieren el calor al agua de la manera más efectiva posible.
Los dos tipos más comunes son:
- caldera de tubo de agua - el agua pasa a través de tubos rodeados de gas caliente
- caldera de tubo de fuego - el gas caliente pasa a través de tubos sumergidos en agua, la misma agua también circula en una camisa de agua que rodea la cámara de combustión y, en calderas de locomotoras de alto rendimiento, también pasa a través de tubos en la propia cámara de combustión (sifones térmicos y circuladores de seguridad) )
Las calderas de tubo de fuego fueron el tipo principal utilizado para el vapor de alta presión inicial (práctica típica de locomotoras de vapor), pero en gran medida fueron desplazadas por calderas de tubos de agua más económicas a fines del siglo XIX para propulsión marina y grandes aplicaciones estacionarias.
Muchas calderas elevan la temperatura del vapor después de haber dejado esa parte de la caldera en contacto con el agua. Conocido como supercalentamiento, convierte el "vapor húmedo" en "vapor sobrecalentado". Evita la condensación de vapor en los cilindros del motor y proporciona una eficiencia significativamente mayor.
Unidades motoras
En una máquina de vapor, un pistón o una turbina de vapor o cualquier otro dispositivo similar para hacer trabajos mecánicos toma un suministro de vapor a alta presión y temperatura y proporciona un suministro de vapor a menor presión y temperatura, utilizando la mayor parte de la diferencia en vapor energía como sea posible para hacer trabajo mecánico.
Estas "unidades motoras" a menudo se llaman "máquinas de vapor" por derecho propio. Los motores que utilizan aire comprimido u otros gases difieren de los motores de vapor solo en detalles que dependen de la naturaleza del gas, aunque el aire comprimido se ha utilizado en motores de vapor sin cambios.
Lavabo frío
Como con todos los motores térmicos, la mayoría de la energía primaria debe emitirse como calor residual a temperatura relativamente baja.
El sumidero frío más simple es ventilar el vapor al medio ambiente. Esto se usa a menudo en las locomotoras de vapor, ya que el vapor liberado se ventila en la chimenea para aumentar el consumo en el fuego, lo que aumenta considerablemente la potencia del motor, pero reduce la eficiencia.
En ocasiones, el calor residual es útil, y en esos casos se puede obtener una eficiencia general muy alta. Por ejemplo, los sistemas combinados de calor y electricidad (CHP) usan el vapor de desecho para calefacción urbana, que excede el 80% de eficiencia combinada.
Cuando no se utiliza CHP, las turbinas de vapor en plantas de energía estacionarias usan condensadores de superficie como un sumidero frío. Los condensadores se enfrían por el flujo de agua de los océanos, ríos, lagos y, a menudo, por torres de enfriamiento que evaporan el agua para proporcionar energía de enfriamiento. El agua condensada resultante se bombea nuevamente a la presión y se envía a la caldera. Una torre de enfriamiento de tipo seco es similar a un radiador de automóvil y se usa en lugares donde el agua es costosa. El calor residual también puede ser expulsado por las torres de enfriamiento evaporativo (húmedo) que pasan el ciclo de agua rechazado a externo que evapora parte del flujo hacia el aire. Las torres de enfriamiento a menudo tienen plumas visibles debido a que el agua evaporada se condensa en gotitas que lleva el aire caliente. Las torres de enfriamiento evaporativo necesitan menos flujo de agua que el enfriamiento "de una sola vez" por el agua del río o del lago; una central eléctrica de carbón de 700 megavatios puede usar aproximadamente 3600 metros cúbicos de agua de reposición cada hora para la refrigeración por evaporación, pero necesitaría unas veinte veces más si se enfriara con agua de río. El agua evaporativa no puede usarse para fines posteriores (excepto la lluvia en algún lugar), mientras que el agua del río puede reutilizarse. En todos los casos, el agua de la planta de vapor, que debe mantenerse pura, se mantiene separada del agua de refrigeración o del aire, y una vez que el vapor a baja presión se condensa en agua, se devuelve a la caldera.
Bomba de agua
El ciclo de Rankine y las máquinas de vapor más prácticas tienen una bomba de agua para reciclar o recargar el agua de la caldera, de modo que puedan funcionar continuamente. Las calderas de uso general e industriales usan comúnmente bombas centrífugas de etapas múltiples; sin embargo, se usan otros tipos. Otro medio de suministro de agua de alimentación de calderas a baja presión es un inyector, que utiliza un chorro de vapor suministrado generalmente desde la caldera. Los inyectores se hicieron populares en la década de 1850, pero ya no se utilizan ampliamente, excepto en aplicaciones tales como locomotoras de vapor. Es la presurización del agua que circula a través de la caldera de vapor lo que permite elevar el agua a temperaturas muy superiores a los 100 ° C de punto de ebullición del agua a una presión atmosférica, y de ese modo aumentar la eficiencia del ciclo de vapor.
Monitorear y controlar
Por razones de seguridad, casi todas las máquinas de vapor están equipadas con mecanismos para controlar la caldera, como un manómetro y una mirilla para controlar el nivel del agua.
Muchos motores, estacionarios y móviles, también están equipados con un gobernador para regular la velocidad del motor sin la necesidad de interferencia humana.
El instrumento más útil para analizar el rendimiento de los motores de vapor es el indicador del motor de vapor. Las primeras versiones estaban en uso en 1851, pero el indicador más exitoso fue desarrollado por el inventor y fabricante de motores de alta velocidad Charles Porter por Charles Richard y exhibido en la Exposición de Londres en 1862. El indicador de la máquina de vapor rastrea en papel la presión en el cilindro a lo largo del ciclo, que se puede utilizar para detectar varios problemas y calcular la potencia desarrollada. Fue rutinariamente utilizado por ingenieros, mecánicos e inspectores de seguros. El indicador del motor también se puede usar en motores de combustión interna. Vea la imagen del siguiente diagrama indicador (en la sección Tipos de unidades motoras ).
Gobernador
El gobernador centrífugo fue adoptado por James Watt para su uso en una máquina de vapor en 1788 después de que el socio de Watt, Boulton, viera uno en el equipo de un molino de harina que Boulton & Watt estaba construyendo. El gobernador no podría mantener una velocidad establecida, ya que asumiría una nueva velocidad constante en respuesta a los cambios de carga. El gobernador fue capaz de manejar variaciones más pequeñas, como las causadas por la fluctuación de la carga de calor a la caldera. Además, había una tendencia a la oscilación cada vez que había un cambio de velocidad. Como consecuencia, los motores equipados solo con este gobernador no eran adecuados para operaciones que requieren velocidad constante, como el hilado de algodón. El gobernador se mejoró con el tiempo y, junto con el corte de vapor variable, se logró un buen control de la velocidad en respuesta a los cambios en la carga a fines del siglo XIX.
Configuración del motor
Motor simple
En un motor simple, o "motor de expansión único", la carga de vapor pasa por todo el proceso de expansión en un cilindro individual, aunque un motor simple puede tener uno o más cilindros individuales. Luego se agota directamente en la atmósfera o en un condensador. A medida que el vapor se expande al pasar a través de un motor de alta presión, su temperatura disminuye porque no se está agregando calor al sistema; esto se conoce como expansión adiabática y da como resultado que el vapor ingrese al cilindro a alta temperatura y lo deje a una temperatura más baja. Esto provoca un ciclo de calentamiento y enfriamiento del cilindro con cada golpe, lo cual es una fuente de ineficiencia.
La pérdida de eficiencia dominante en los motores de vapor alternativos es la condensación y la evaporación del cilindro. El cilindro de vapor y las partes / puertos metálicos adyacentes operan a una temperatura aproximadamente a mitad de camino entre la temperatura de saturación de admisión de vapor y la temperatura de saturación correspondiente a la presión de escape. A medida que se ingresa vapor de alta presión en el cilindro de trabajo, gran parte del vapor a alta temperatura se condensa como gotas de agua sobre las superficies metálicas, reduciendo significativamente el vapor disponible para un trabajo extenso. Cuando el vapor en expansión alcanza baja presión (especialmente durante la carrera de escape), las gotas de agua previamente depositadas que se acababan de formar dentro del cilindro / orificios ahora se evaporan (evaporación) y este vapor ya no funciona en el cilindro.
Existen límites prácticos sobre la relación de expansión de un cilindro de un motor de vapor, ya que el aumento del área de superficie del cilindro tiende a agravar los problemas de condensación y reevaporación del cilindro. Esto niega las ventajas teóricas asociadas con una alta proporción de expansión en un cilindro individual.
Motores compuestos
Un método para disminuir la magnitud de la pérdida de energía en un cilindro muy largo fue inventado en 1804 por el ingeniero británico Arthur Woolf, que patentó su motor compuesto dealta presión Woolf en 1805. En el motor compuesto, el vapor de alta presión de la caldera se expande un cilindro de alta presión (HP) y luego ingresa uno o más cilindros posteriores de baja presión (LP). La expansión completa del vapor se produce ahora a través de múltiples cilindros, con la disminución general de la temperatura dentro de cada cilindro reducido considerablemente. Al expandir el vapor en pasos con un rango de temperatura más pequeño (dentro de cada cilindro), se reduce el problema de la condensación y la eficiencia de la reevaporación (descrito anteriormente). Esto reduce la magnitud de calentamiento y enfriamiento del cilindro, aumentando la eficiencia del motor. Al organizar la expansión en múltiples cilindros, se pueden reducir las variaciones de torque. Para obtener el mismo trabajo del cilindro de menor presión, se requiere un volumen de cilindro mayor ya que este vapor ocupa un mayor volumen. Por lo tanto, el diámetro interior y, en casos excepcionales, el recorrido, aumentan en cilindros de baja presión, lo que da como resultado cilindros más grandes.
Los motores de doble expansión (generalmente conocidos como compuestos ) expandieron el vapor en dos etapas. Los pares pueden duplicarse o el trabajo del cilindro grande de baja presión se puede dividir con un cilindro de alta presión que se agota en uno u otro, dando un diseño de tres cilindros donde el cilindro y el diámetro del pistón son más o menos iguales, haciendo que el reciprocante masas más fáciles de equilibrar.
Los compuestos de dos cilindros se pueden organizar como:
- Compuestos cruzados : los cilindros están uno al lado del otro.
- Compuestos en tándem : los cilindros son de extremo a extremo, impulsando una biela común
- Compuestos de ángulo : los cilindros están dispuestos en V (generalmente en un ángulo de 90 °) y manejan una manivela común.
Con los compuestos de dos cilindros utilizados en el trabajo ferroviario, los pistones se conectan a las bielas como con un simple de dos cilindros a 90 ° fuera de fase entre sí (en cuartos ). Cuando se duplica el grupo de doble expansión, produciendo un compuesto de cuatro cilindros, los pistones individuales dentro del grupo están generalmente equilibrados en 180 °, los grupos que se fijan en 90 ° entre sí. En un caso (el primer tipo de compuesto Vauclain), los pistones trabajaban en la misma fase que conduce un cruceta y manivela común, de nuevo fijado en 90 ° como para un motor de dos cilindros. Con la disposición compuesto de tres cilindros, las manivelas LP se establecieron ya sea a 90 ° con el HP uno en 135 ° a los otros dos, o en algunos casos los tres manivelas se fijaron en 120 °.
La adopción de compuestos fue común para unidades industriales, para motores de carretera y casi universal para motores marinos después de 1880; no era universalmente popular en locomotoras ferroviarias donde a menudo se percibía como complicado. Esto se debe en parte al duro entorno operativo del ferrocarril y al espacio limitado que ofrece el medidor de carga (especialmente en Gran Bretaña, donde la composición nunca fue común y no se empleó después de 1930). Sin embargo, aunque nunca en la mayoría, fue popular en muchos otros países.
Motores de expansión múltiple
Es una extensión lógica del motor compuesto (descrito anteriormente) para dividir la expansión en más etapas para aumentar la eficiencia. El resultado es el motor de expansión múltiple . Dichos motores utilizan tres o cuatro etapas de expansión y se conocen como motores de expansión triple y cuádruplerespectivamente. Estos motores usan una serie de cilindros de diámetro progresivamente creciente. Estos cilindros están diseñados para dividir el trabajo en partes iguales para cada etapa de expansión. Al igual que con el motor de doble expansión, si el espacio es escaso, entonces se pueden usar dos cilindros más pequeños para la etapa de baja presión. Los motores de expansión múltiple típicamente tenían los cilindros dispuestos en línea, pero se usaban otras formaciones. A fines del siglo XIX, el "sistema" de equilibrio Yarrow-Schlick-Tweedy se utilizó en algunos motores marinos de triple expansión. Los motores YST dividieron las etapas de expansión de baja presión entre dos cilindros, uno en cada extremo del motor. Esto permitió que el cigüeñal estuviera mejor equilibrado, lo que resultó en un motor más suave y de respuesta más rápida que funcionaba con menos vibración. Clase olímpica ), pero esto fue reemplazado en última instancia por el motor de turbina virtualmente libre de vibraciones. Sin embargo, se observa que las máquinas de vapor recíprocas de triple expansión se utilizaron para conducir los buques Liberty de la Segunda Guerra Mundial, con mucho, la mayor cantidad de barcos idénticos jamás construidos. Más de 2700 barcos fueron construidos, en los Estados Unidos, a partir de un diseño original británico.
La imagen a la derecha muestra una animación de un motor de triple expansión. El vapor viaja a través del motor de izquierda a derecha. El cofre de la válvula para cada uno de los cilindros está a la izquierda del cilindro correspondiente.
Las máquinas de vapor terrestres pueden descargar su vapor a la atmósfera, ya que el agua de alimentación suele estar fácilmente disponible. Antes y durante la Primera Guerra Mundial, el motor de expansión dominaba las aplicaciones marinas, donde la alta velocidad de los buques no era esencial. Sin embargo, fue reemplazado por la turbina de vapor de invención británica donde se requería velocidad, por ejemplo en buques de guerra, como los acorazados dreadnought y los transatlánticos. El HMS Dreadnought de 1905 fue el primer buque de guerra importante que reemplazó la tecnología probada del motor alternativo por la novedosa turbina de vapor.
Tipos de unidades motoras
Pistón recíproco
En la mayoría de los motores de pistón alternativo, el vapor invierte su dirección de flujo en cada carrera (contraflujo), ingresando y evacuando desde el mismo extremo del cilindro. El ciclo completo del motor ocupa una rotación de la manivela y dos carreras de pistón; el ciclo también comprende cuatro eventos : admisión, expansión, escape, compresión. Estos eventos son controlados por válvulas que a menudo trabajan dentro de un cofre de vapor adyacente al cilindro; las válvulas distribuyen el vapor abriendo y cerrando orificios de vapor que se comunican con el (los) extremo (s) del cilindro y son accionados por un engranaje de válvula, del cual hay muchos tipos.
Los engranajes de válvula más simples dan eventos de longitud fija durante el ciclo del motor y a menudo hacen que el motor gire en una sola dirección. Sin embargo, muchos tienen un mecanismo de inversión que adicionalmente puede proporcionar medios para ahorrar vapor a medida que se gana velocidad e impulso al "acortar gradualmente el límite" o, más bien, acortar el evento de admisión; esto a su vez prolonga proporcionalmente el período de expansión. Sin embargo, dado que una misma válvula generalmente controla ambos flujos de vapor, un corte corto en la admisión afecta adversamente los periodos de escape y compresión que, idealmente, siempre deberían mantenerse bastante constantes; si el evento de escape es demasiado breve, la totalidad del vapor de escape no puede evacuar el cilindro, ahogando y produciendo una compresión excesiva ( "retroceso" ).
En la década de 1840 y 50, hubo intentos de superar este problema por medio de varios engranajes de válvula de patente con una válvula de expansión de corte variable separada montada en la parte posterior de la válvula de corredera principal; este último usualmente tenía un límite fijo o limitado. La configuración combinada dio una aproximación justa de los eventos ideales, a expensas de una mayor fricción y desgaste, y el mecanismo tendió a ser complicado. La solución de compromiso habitual ha sido proporcionar una vuelta alargando las superficies de fricción de la válvula de manera que se superponga el puerto en el lado de admisión, con el efecto de que el lado de escape permanece abierto durante un período más largo después de que se ha producido el corte en el lado de admisión. Desde entonces, este recurso se ha considerado generalmente satisfactorio para la mayoría de los propósitos y hace posible el uso de los movimientos más sencillos de Stephenson, Joyand Walschaerts. Los engranajes de válvulas Corliss y más adelante tenían válvulas de admisión y escape separadas, accionadas por mecanismos de disparo o levas perfiladas para proporcionar eventos ideales; la mayoría de estos engranajes nunca tuvieron éxito fuera del mercado estacionario debido a varios otros problemas, incluidos fugas y mecanismos más delicados.
- Compresión
Antes de que la fase de escape esté completa, el lado de escape de la válvula se cierra, cerrando una porción del vapor de escape dentro del cilindro. Esto determina la fase de compresión en la que se forma un colchón de vapor contra el cual trabaja el pistón mientras su velocidad disminuye rápidamente; además, evita el choque de presión y temperatura, que de lo contrario sería causado por la admisión repentina del vapor de alta presión al comienzo del siguiente ciclo.
- Dirigir
Los efectos anteriores se mejoran aún más al proporcionar plomo : como se descubrió más tarde con el motor de combustión interna, se ha encontrado ventajoso desde finales de la década de 1830 para avanzar en la fase de admisión, dando el plomo de la válvula para que la admisión ocurra un poco antes del final del carrera de escape para llenar el volumen de espacio libre que comprende los puertos y los extremos del cilindro (que no forman parte del volumen barrido por el pistón) antes de que el vapor comience a ejercer esfuerzo sobre el pistón.
Motor Uniflow (o unaflow)
Los motores Uniflow intentan remediar las dificultades derivadas del ciclo de contraflujo habitual donde, durante cada carrera, el puerto y las paredes del cilindro se enfriarán por el vapor de escape que pasa, mientras que el vapor entrante más caliente perderá parte de su energía en restaurar la temperatura de trabajo . El objetivo del uniflow es remediar este defecto y mejorar la eficiencia proporcionando un puerto adicional descubierto por el pistón al final de cada carrera, haciendo que el vapor fluya solo en una dirección. De esta forma, el motor uniflow de expansión simple ofrece una eficiencia equivalente a la de los sistemas compuestos clásicos con la ventaja adicional de un rendimiento de carga parcial superior y una eficiencia comparable a las turbinas para motores más pequeños de menos de mil caballos de fuerza. Sin embargo,
Motores de turbina
Una turbina de vapor consiste en uno o más rotores (discos giratorios) montados en un eje de transmisión, alternando con una serie de estatores (discos estáticos) fijados a la carcasa de la turbina. Los rotores tienen una disposición similar a hélice de cuchillas en el borde exterior. Steam actúa sobre estas cuchillas, produciendo movimiento giratorio. El estator consiste en una serie similar, pero fija, de cuchillas que sirven para redirigir el flujo de vapor hacia la siguiente etapa del rotor. Una turbina de vapor a menudo se escapa en un condensador de superficie que proporciona un vacío. Las etapas de una turbina de vapor están típicamente dispuestas para extraer el máximo trabajo posible de una velocidad y presión de vapor específicas, dando lugar a una serie de etapas de alta y baja presión de tamaño variable. Las turbinas solo son eficientes si giran a velocidad relativamente alta, por lo tanto, generalmente están conectadas a engranajes de reducción para impulsar aplicaciones de menor velocidad, como la hélice de un barco. En la gran mayoría de las grandes estaciones de generación eléctrica, las turbinas están conectadas directamente a los generadores sin engranajes de reducción. Las velocidades típicas son 3600 revoluciones por minuto (RPM) en los Estados Unidos con 60 Hertzios de potencia, y 3000 RPM en Europa y otros países con sistemas de energía eléctrica de 50 Hertzios. En aplicaciones de energía nuclear, las turbinas normalmente funcionan a la mitad de estas velocidades, 1800 RPM y 1500 RPM. Un rotor de turbina solo es capaz de proporcionar potencia cuando gira en una dirección. Por lo tanto, generalmente se requiere una etapa de inversión o una caja de cambios cuando se requiere potencia en la dirección opuesta. En aplicaciones de energía nuclear, las turbinas normalmente funcionan a la mitad de estas velocidades, 1800 RPM y 1500 RPM. Un rotor de turbina solo es capaz de proporcionar potencia cuando gira en una dirección. Por lo tanto, generalmente se requiere una etapa de inversión o una caja de cambios cuando se requiere potencia en la dirección opuesta. En aplicaciones de energía nuclear, las turbinas normalmente funcionan a la mitad de estas velocidades, 1800 RPM y 1500 RPM. Un rotor de turbina solo es capaz de proporcionar potencia cuando gira en una dirección. Por lo tanto, generalmente se requiere una etapa de inversión o una caja de cambios cuando se requiere potencia en la dirección opuesta.
Las turbinas de vapor proporcionan una fuerza de rotación directa y, por lo tanto, no requieren un mecanismo de enlace para convertir movimiento alternativo a rotativo. Por lo tanto, producen fuerzas de rotación más suaves en el eje de salida. Esto contribuye a un menor requerimiento de mantenimiento y menos desgaste en la maquinaria que alimentan que un motor alternativo comparable.
El principal uso de las turbinas de vapor es la generación de electricidad (en la década de 1990, aproximadamente el 90% de la producción eléctrica mundial era mediante turbinas de vapor). Sin embargo, la reciente aplicación generalizada de grandes unidades de turbinas de gas y centrales de ciclo combinado típicas redujo este porcentaje al régimen del 80% para turbinas de vapor. En la producción de electricidad, la alta velocidad de rotación de la turbina se corresponde bien con la velocidad de los generadores eléctricos modernos, que normalmente están conectados directamente a sus turbinas de accionamiento. En el servicio marítimo, (pionero en el Turbinia), las turbinas de vapor con engranajes de reducción (aunque el Turbinia tiene turbinas directas a hélices sin caja reductora) dominaron la propulsión de grandes barcos a fines del siglo XX, siendo más eficientes (y requiriendo mucho menos mantenimiento) que las locomotoras de vapor recíprocas. En las últimas décadas, los motores diésel recíprocos y las turbinas de gas han reemplazado casi por completo a la propulsión a vapor para aplicaciones marinas.
Prácticamente todas las centrales nucleares generan electricidad calentando agua para proporcionar vapor que impulsa una turbina conectada a un generador eléctrico. Los barcos y submarinos de propulsión nuclear utilizan una turbina de vapor directamente para propulsión principal, con generadores que proporcionan energía auxiliar, o bien emplean transmisión turboeléctrica, donde el vapor impulsa un turbogenerador con propulsión proporcionada por motores eléctricos. Se fabricó un número limitado de locomotoras de ferrocarril de turbina de vapor. Algunas locomotoras de accionamiento directo sin condensación sí tuvieron cierto éxito para las operaciones de transporte de larga distancia en Suecia y para el trabajo expreso de pasajeros en Gran Bretaña, pero no se repitieron. En otros lugares, especialmente en los Estados Unidos, diseños más avanzados con transmisión eléctrica se construyeron experimentalmente, pero no se reprodujeron.
Motores de vapor de cilindro oscilante
Un motor de vapor de cilindro oscilante es una variante del motor de vapor de expansión simple que no requiere válvulas para dirigir el vapor dentro y fuera del cilindro. En lugar de válvulas, todo el cilindro se balancea u oscila, de modo que uno o más agujeros en el cilindro se alinean con orificios en una cara de puerto fijo o en el montaje de pivote (muñón). Estos motores se utilizan principalmente en juguetes y modelos, debido a su simplicidad, pero también se han utilizado en motores de tamaño normal, principalmente en barcos en los que se valora su compacidad.
Motores de vapor rotativos
Es posible utilizar un mecanismo basado en un motor rotativo sin pistón, como el motor Wankel, en lugar de los cilindros y el engranaje de la válvula de una máquina de vapor alternativa de pistón. Muchos de esos motores han sido diseñados, desde la época de James Watt hasta la actualidad, pero se construyeron relativamente pocos y menos aún entraron en producción de cantidades; ver el enlace en la parte inferior del artículo para más detalles. El principal problema es la dificultad de sellar los rotores para hacerlos estancos al vapor ante el desgaste y la expansión térmica; la fuga resultante los hizo muy ineficientes. La falta de trabajo expansivo, o cualquier medio de control del corte, también es un problema grave con muchos de estos diseños.
En la década de 1840, estaba claro que el concepto tenía problemas inherentes y los motores rotatorios fueron tratados con cierta burla en la prensa técnica. Sin embargo, la llegada de la electricidad a la escena y las ventajas obvias de conducir una dinamo directamente desde un motor de alta velocidad, condujeron a un renacimiento del interés en las décadas de 1880 y 1890, y algunos diseños tuvieron cierto éxito limitado. El Quasiturbine es un nuevo tipo de motor de vapor rotativo uniflow.
De los pocos diseños que se fabricaron en cantidad, destacan los de la Hult Brothers Rotary Steam Engine Company de Estocolmo, Suecia, y el motor esférico de Beauchamp Tower. Los motores de la torre fueron utilizados por el Gran Ferrocarril del Este para conducir dínamos de iluminación en sus locomotoras, y por el Almirantazgo para conducir dínamos a bordo de los barcos de la Armada Real. Finalmente fueron reemplazados en estas aplicaciones de nicho por turbinas de vapor.
Tipo de cohete
El aeolipile representa el uso de vapor por el principio de reacción del cohete, aunque no para la propulsión directa.
En tiempos más modernos ha habido un uso limitado de vapor para la cohetería, en particular para los cohetes. Steam Rocketry funciona al llenar un recipiente a presión con agua caliente a alta presión y abrir una válvula que conduce a una boquilla adecuada. La caída de presión hierve inmediatamente parte del agua y el vapor sale a través de una boquilla, creando una fuerza propulsora.
La seguridad
Los motores de vapor poseen calderas y otros componentes que son recipientes a presión que contienen una gran cantidad de energía potencial. Los escapes de vapor y las explosiones de calderas (típicamente BLEVE) pueden y han causado en el pasado una gran pérdida de vidas. Si bien pueden existir variaciones en los estándares en diferentes países, se aplican rigurosas medidas legales, pruebas, capacitación, cuidado con la fabricación, operación y certificación para garantizar la seguridad.
Los modos de falla pueden incluir:
- sobrepresurización de la caldera
- agua insuficiente en la caldera que causa sobrecalentamiento y falla del recipiente
- acumulación de sedimentos y escamas que causan puntos calientes locales, especialmente en botes fluviales que usan agua sucia de alimentación
- falla de la caldera debido a una construcción o mantenimiento inadecuados.
- escape de vapor de la tubería / caldera que causa escaldadura
Los motores de vapor frecuentemente poseen dos mecanismos independientes para asegurar que la presión en la caldera no sea demasiado alta; uno puede ser ajustado por el usuario, el segundo es típicamente diseñado como un último seguro contra fallas. Tales válvulas de seguridad tradicionalmente usaban una simple palanca para retener una válvula de tapón en la parte superior de una caldera. Un extremo de la palanca llevaba un peso o resorte que restringía la válvula contra la presión del vapor. Las válvulas tempranas podían ser ajustadas por los controladores del motor, lo que ocasionaba muchos accidentes cuando un conductor abría la válvula para permitir una mayor presión del vapor y más potencia del motor. El tipo más reciente de válvula de seguridad utiliza una válvula de resorte ajustable, que está bloqueada de modo que los operadores no pueden alterar su ajuste a menos que se rompa ilegalmente un sello. Esta disposición es considerablemente más segura.
Los tapones fusibles de plomo pueden estar presentes en la corona del hogar de la caldera. Si el nivel del agua disminuye, de modo que la temperatura de la corona de la cámara de combustión aumenta significativamente, el plomo se derrite y el vapor se escapa, advirtiendo a los operadores, que luego pueden suprimir el fuego manualmente. Excepto en las calderas más pequeñas, el escape de vapor tiene poco efecto sobre la amortiguación del fuego. Los tapones también son demasiado pequeños para reducir la presión de vapor significativamente, despresurizando la caldera. Si fueran más grandes, el volumen de vapor que escaparía pondría en peligro a la tripulación.
Ciclo de vapor
El ciclo de Rankine es el fundamento termodinámico fundamental de la máquina de vapor. El ciclo es una disposición de componentes como se usa típicamente para la producción de energía simple, y utiliza el cambio de fase de agua (agua hirviendo que produce vapor, condensación de vapor de escape, producción de agua líquida) para proporcionar un sistema práctico de conversión de calor / potencia. El calor se suministra externamente a un circuito cerrado con algo de calor agregado que se convierte en trabajo y el calor residual se elimina en un condensador. El ciclo de Rankine se utiliza en prácticamente todas las aplicaciones de producción de energía de vapor. En la década de 1990, los ciclos de vapor de Rankine generaron aproximadamente el 90% de toda la energía eléctrica utilizada en todo el mundo, incluidas prácticamente todas las plantas de energía solar, biomasa, carbón y nuclear. Lleva el nombre de William John Macquorn Rankine, un erudito escocés.
El ciclo de Rankine a veces se denomina ciclo práctico de Carnot porque, cuando se usa una turbina eficiente, el diagrama TS se asemeja al ciclo de Carnot. La principal diferencia es que la adición de calor (en la caldera) y el rechazo (en el condensador) son procesos isobáricos (presión constante) en el ciclo de Rankine y procesos isotérmicos (temperatura constante) en el ciclo teórico de Carnot. En este ciclo, se usa una bomba para presurizar el fluido de trabajo que se recibe del condensador como un líquido, no como un gas. El bombeo del fluido de trabajo en forma líquida durante el ciclo requiere una pequeña fracción de la energía para transportarlo en comparación con la energía necesaria para comprimir el fluido de trabajo en forma de gas en un compresor (como en el ciclo de Carnot).
El fluido de trabajo en un ciclo de Rankine puede funcionar como un sistema de circuito cerrado, donde el fluido de trabajo se recicla continuamente o puede ser un sistema de "circuito abierto" donde el vapor de escape se libera directamente a la atmósfera y una fuente de agua separada alimentar la caldera se suministra. Normalmente, el agua es el fluido de elección debido a sus propiedades favorables, como la química no tóxica y no reactiva, la abundancia, el bajo costo y sus propiedades termodinámicas. El mercurio es el fluido de trabajo en la turbina de vapor de mercurio. Los hidrocarburos de bajo punto de ebullición se pueden usar en un ciclo binario.
La máquina de vapor contribuyó mucho al desarrollo de la teoría termodinámica; sin embargo, las únicas aplicaciones de la teoría científica que influyeron en la máquina de vapor fueron los conceptos originales de aprovechar la potencia del vapor y la presión atmosférica y el conocimiento de las propiedades del calor y el vapor. Las mediciones experimentales realizadas por Watt en un motor de vapor modelo condujeron al desarrollo del condensador por separado. Watt descubrió independientemente el calor latente, que fue confirmado por el descubridor original Joseph Black, quien también aconsejó a Watt en procedimientos experimentales. Watt también era consciente del cambio en el punto de ebullición del agua con presión. De lo contrario, las mejoras en el motor en sí eran de naturaleza más mecánica.
Eficiencia
La eficiencia de un ciclo del motor se puede calcular dividiendo la producción de energía del trabajo mecánico que produce el motor por la entrada de energía al motor por el combustible en combustión.
La medida histórica de la eficiencia energética de un motor de vapor era su "deber". El concepto de deber fue introducido por primera vez por Watt con el fin de ilustrar cuánto más eficientes eran sus motores en los diseños anteriores de Newcomen. El deber es la cantidad de libras por pie de trabajo entregado quemando un bushel (94 libras) de carbón. Los mejores ejemplos de diseños de Newcomen tenían un deber de aproximadamente 7 millones, pero la mayoría se acercaban a los 5 millones. Los diseños originales de baja presión de Watt fueron capaces de entregar un servicio de hasta 25 millones, pero promediaron alrededor de 17. Esta fue una mejora de tres veces con respecto al diseño promedio de Newcomen. Los primeros motores Watt equipados con vapor a alta presión mejoraron esto a 65 millones.
Ningún motor térmico puede ser más eficiente que el ciclo Carnot, en el cual el calor pasa de un depósito de alta temperatura a uno a baja temperatura, y la eficiencia depende de la diferencia de temperatura. Para una mayor eficiencia, las máquinas de vapor deben operarse a la temperatura de vapor más alta posible (vapor sobrecalentado) y liberar el calor residual a la temperatura más baja posible.
La eficiencia de un ciclo de Rankine generalmente está limitada por el fluido de trabajo. Sin la presión que alcanza niveles supercríticos para el fluido de trabajo, el rango de temperatura en el que puede funcionar el ciclo es bastante pequeño; en las turbinas de vapor, las temperaturas de entrada de la turbina son típicamente de 565 ° C (el límite de fluencia del acero inoxidable) y las temperaturas del condensador son de alrededor de 30 ° C. Esto le da a Carnot una eficiencia teórica de alrededor del 63% en comparación con una eficiencia real del 42% para una moderna central eléctrica de carbón. Esta baja temperatura de entrada de la turbina (en comparación con una turbina de gas) es la razón por la cual el ciclo de Rankine se utiliza a menudo como un ciclo de fondo en las centrales eléctricas de turbina de gas de ciclo combinado.
Una de las principales ventajas del ciclo de Rankine sobre otros es que durante la etapa de compresión se requiere relativamente poco trabajo para conducir la bomba, ya que el fluido de trabajo está en su fase líquida en este punto. Al condensar el fluido, el trabajo requerido por la bomba consume solo del 1% al 3% de la potencia de la turbina (o motor alternativo) y contribuye a una eficiencia mucho mayor para un ciclo real. El beneficio de esto se pierde un poco debido a la menor temperatura de adición de calor. Las turbinas de gas, por ejemplo, tienen temperaturas de entrada de la turbina cercanas a 1500 ° C. No obstante, las eficiencias de los grandes ciclos de vapor reales y de las grandes turbinas de gas modernas están bastante igualadas.
En la práctica, un ciclo alternativo del motor de vapor que extraiga el vapor a la atmósfera típicamente tendrá una eficiencia (incluida la caldera) en el rango de 1-10%, pero con la adición de un condensador y expansión múltiple, y alta presión / temperatura del vapor. puede mejorarse mucho, históricamente en el régimen del 10-20%, y muy raramente ligeramente más alto.
Una moderna gran central eléctrica (que produce varios cientos de megavatios de potencia eléctrica) con recalentamiento de vapor, economizador, etc. alcanzará una eficiencia en el rango medio del 40%, con las unidades más eficientes cerca del 50% de eficiencia térmica.
También es posible capturar el calor residual utilizando la cogeneración en la que el calor residual se utiliza para calentar un fluido de trabajo de punto de ebullición más bajo o como fuente de calor para el calentamiento de distrito a través de vapor saturado de baja presión.
Una locomotora de vapor: una GNR N2 Clase No.1744 en Weybourne nr. Sheringham, Norfolk
Un biciclo impulsado por vapor
Bomberos británicos de vapor a presión, un ejemplo de una máquina de vapor móvil. Este es un vehículo tirado por caballos: la máquina de vapor conduce la bomba de agua