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Tren de vapor

Máquina de vapor

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Máquina de vapor
industrial

Máquina de vapor, funcionamiento y máquina de Watt

Máquina de vapor, funcionamiento y máquina de Watt

Se llama máquina de vapor a un motor de combustión externa que produce energía mecánica mediante el uso de vapor de agua. En particular, se transforma la energía térmica en energía mecánica generando vapor.

El calor se genera quemando combustibles fósiles. Normalmente se utiliza grandes cantidades de carbón, pero también puede provenir de la madera, reacciones nucleares o incluso de la energía solar.

Es uno de los inventos más importantes de la revolución industrial en el siglo XIX.

¿Cómo funciona una máquina de vapor?

El funcionamiento básico de una máquina de vapor se basa en los siguientes pasos:

  1. Generar una fuente de calor para hervir el agua.

  2. El agua se convierte en vapor.

  3. Aprovechar la presión del vapor para accionar un mecanismo mecánico.

Generador de vapor o caldera

Una parte esencial del sistema es el generador de vapor, o la caldera. En la caldera se caliente al agua y se convierte en vapor mediante la administración de calor. El vapor se envía entonces al motor, que puede ser de dos tipos básicos: 

  • Motor alternativo, empujando un pistón.

  • Motor rotativo, accionando una turbina de vapor.

Motor alternativo de una máquina de vapor

En el motor alternativo, el vapor mueve las válvulas de accionamiento que permiten empujar  el pistón por ambos lados. En cada rotación del motor tiene dos fases activas. En los motores térmicos de combustión interna existen generalmente una expansión cada 4 fases (motor de 4 tiempos).

A partir de la segunda mitad de 1800 casi todas las máquinas de vapor utilizaban dos, tres y hasta cuatro cilindros en serie para motores de expansión doble y triple expansión.

Máquina de vapor, funcionamiento y máquina de Watt

Turbinas de vapor

La turbina suplantó por completo en los motores alternativos marinos. Más tarde, se sustituyeron motores de combustión interna y turbinas de gas. Las turbinas de vapor permanecen en uso sobre todo en las plantas de energía como fuerza motriz para el accionamiento de los alternadores trifásicos.

En las aplicaciones tradicionales, hoy en día la máquina de vapor ha sido casi completamente reemplazado por el motor de combustión interna. Respecto a la máquina de vapor, el motor térmico es más compacto y de gran alcance y no requiere la fase de precalentamiento para poner la caldera en la presión.

¿Quién inventó la máquina de vapor?

El inventor de la primera máquina de vapor fue Thomas Savery en 1698. Esta primera máquina era una bomba de agua.

El inventor de la máquina de vapor, tal y como la conocemos hoy en día, fue James Watt (1769).

Esta primera máquina de vapor comercial fue una bomba de agua. Savery utilizó vapor de condensación para crear un vacío que permitía elevar el agua desde abajo. Luego, se le suministraba presión para elevarlo más.

El motor de Savery se utilizó en minas, estaciones de bombeo y suministro de agua a las ruedas hidráulicas que accionaban maquinaria textil. La máquina de vapor de Savery era de bajo costo. 

Más tarde apareció el primer motor de vapor de pistón: El primer motor comercialmente exitoso que podía transmitir potencia continua a una máquina fue el motor atmosférico, inventado por Thomas Newcomen alrededor de 1712. Newcomen mejoró la bomba de vapor de Savery, usando un pistón como lo propuso Papin. 

La máquina de Newcomen se convirtió en el primer motor comercialmente exitoso utilizando el principio del pistón y el cilindro. Esta fue el tipo fundamental de máquina de vapor utilizada hasta principios del siglo XX.

No fue hasta finales del siglo XVIII no existieron máquinas de vapor fiables y eficientes cuando se realizaron las primeras tentativas serias de propulsión naval mediante el vapor. 

Máquina de vapor de James Watt

La máquina de vapor de James Watt es el resultado de las mejoras que Watt realizó a la máquina de Newcomen (1769).

Estas mejoras, en parte gracias a las investigaciones termodinámicas de Joseph Black, dieron lugar a la fabricación de la máquina de vapor actual.

Wat fue un ingeniero mecánico, inventor y químico escocés educado en la universidad de Glasgow. Junto con el fabricante inglés Matthew Boulton fundaron la empresa Boulton and Watt. Esta empresa fue una de las primeras en el negocio del diseño y fabricación de máquinas de vapor.

En honor a James, la unidad de potencia eléctrica se llama watt en el sistema internacional de medidas.

Características de la máquina de vapor de Watt

  • Contaba con una cámara separada para la condensación del vapor.

  • Los costos eran más bajos que los de la máquina de Newcomen.

  • Evitó la pérdida de vapor producida en cada ciclo. Para ello, Watt aisló el cilindro para que permaneciera a la temperatura del vapor.

  • La cámara de condensación separada estaba refrigerada por aire.

  • En la cámara de condensación incluyó una bomba para hacer un vacío para absorber el vapor del cilindro hacia el condensador.

  • Funcionaba con la presión del vapor en lugar de la presión atmosférica para obtener el movimiento.

  • Permitía convertir el movimiento lineal de los pistones en un movimiento circular.

  • Disponía de válvulas de mariposa para limitar la velocidad. También disponía de de reguladores que mantenían de forma automática una velocidad de funcionamiento estable.

El siguiente avance importante fue la aparición de motores sin condensación prácticos. Sin embargo, Watt no consiguió perfeccionar este tipo de máquinas.

¿Qué es la máquina de Papin?

La máquina de Papin es una versión mejorada de las primeras máquinas de vapor.

La máquina del inventor francés Denis Papin consistía en una caldera de agua sellada. En primer lugar se la sometía a una fuente de calor hasta obtener vapor. La presión del vapor empujaba el pistón.

Posteriormente se sometía la caldera a una fuente fría. De este modo, el vapor se condensaba y el pistón bajaba. 

Papin inventó y utilizó por primera vez una válvula de seguridad en el diseño de una caldera de vapor.

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Fecha publicación: 23 de noviembre de 2016
Última revisión: 26 de junio de 2020