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Máquina de vapor

Máquina de vapor
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Tipos de máquinas de vapor

Tipos de máquinas de vapor

Las máquinas de vapor son ingenios mecánicos capaces de transformar energía calorífica en energía mecánica en un eje en movimiento de rotación. Esta energía calorífica aprovecha mediante la energía contenida en vapor de agua a alta presión y temperatura.

Consideramos máquinas de vapor todas aquellas máquinas que transforman la energía térmica de un fluido en energía mecánica. Por lo general, el fluido debe ser calentado previamente y a la salida de la máquina de vapor debe enfriarse para repetir el proceso.

Las máquinas de vapor pueden clasificarse en estos dos tipos:

  • Máquina de vapor de émbolo
  • Máquina de vapor de turbinas

Máquina de vapor de émbolo

Las máquinas de vapor de émbolo son las primeras máquinas de vapor se desarrollaron utilizando un émbolo o pistón acoplado a un mecanismo del tipo pistón-biela cigüeñal. A este mecanismo se le aplicaba el vapor a alta presión y temperatura sincronizado con un juego de válvulas para obtener una energía cinética y, por lo tanto, un movimiento mecánico.

El vapor de agua se genera en un generador de vapor como podría ser una caldera. El vapor se introduce 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. El vapor empuja al émbolo 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 el vapor frío y a baja presión inútiles. La temperatura y la presión del vapor de salida no son lo suficientemente altos como para seguir aprovechando su energía en este tipo de máquina.

Este motor de vapor elemental es muy ineficiente. El vapor vertido al exterior todavía está caliente y a suficiente presión como para realizar más trabajo útil. Para mejorar la eficiencia de este tipo de máquina de vapor se utilizan las máquinas de varias etapas. En las máquinas de varias etapas el vapor de desecho de una etapa se introduce en otra con un émbolo más grande para aprovechar más aun la energía que contiene.

El vapor de una etapa se introduce en la que sigue para accionar un pistón cada vez más grande. De este modo, 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. Hay que considerar que cada vez el vapor tiene menos presión. Al aumentar el tamaño del émbolo se aumenta su superficie. Según las leyes de la física, la fuerza de empuje es el producto de la presión, por el área del pistón.

Dentro de las máquinas de émbolo destacamos los siguientes tipos:

Motor de vapor de expansión múltiple

Máquina de vapor de émbolo

El motor de vapor de expansión múltiple es otro tipo de máquina de vapor. Este motor utiliza varios cilindros de acción simple. Cada cilindro tiene un diámetro y movimiento mayor que el anterior.

Con el vapor de alta presión de la caldera se impulsa el primer pistón, el pistón de menor diámetro hacia abajo.

En el movimiento ascendente del primer pistón, el vapor parcialmente expandido es accionado dentro de un segundo cilindro que está comenzando su movimiento descendente.

La bajada del segundo pistón genera una expansión adicional de la presión relativamente alta liberada en la primera cámara.

Asimismo, la cámara intermedia descarga hasta la cámara final, que a su vez se libera a un condensador. Una modificación de este tipo de motor, incorpora dos pistones más pequeños en la última cámara.

Las características de este tipo de motor de vapor lo convirtieron en un motor óptimo para usarlo en buques de vapor. La ventaja era que el condensador, al recuperar un poco de la potencia, convertía nuevamente el vapor en agua que se podía reutilizar en la caldera.

Las máquinas de vapor terrestres esta ventaja no era tan importante. Las máquinas terrestres podrían agotar gran parte de su vapor y ser rellenadas de una torre de agua dulce, pero en el mar esto no era posible una dificultad añadida.

Antes y durante la Segunda Guerra Mundial, el motor de expansión se utilizaba en vehículos marinos que no necesitaban ir a gran velocidad. Sin embargo, cuando fue requerida más velocidad, fue reemplazado por la turbina de vapor.

Motor uniflow o de flujo uniforme

Otro tipo de máquina de émbolo es el motor uniflow o de flujo uniforme. Este tipo de motor utiliza vapor que sólo fluye en una dirección en cada mitad del cilindro.

La eficiencia térmica de esta máquina de vapor se consigue teniendo un gradiente de temperatura a lo largo del cilindro. El vapor siempre entra por los extremos calientes del cilindro y sale por unas aberturas en el centro del enfriador.

De este modo, se reduce el calentamiento y enfriamiento relativos de las paredes del cilindro.

En los motores de vapor uniflow, la entrada de vapor suele ser controlada por válvulas de vástago que son accionadas por un árbol de levas. Las válvulas de vástago funcionan de forma similar a las usadas en motores de combustión interna.

Las válvulas de entrada se abren para admitir el vapor cuando se alcanza el volumen de expansión mínimo al comienzo del movimiento.

En un cierto momento de la vuelta de la manivela, entra el vapor y se cierra la entrada del casquillo, permitiendo la expansión continua del vapor. La entrada del vapor permite accionar el pistón transmitiéndole cierta energía cinética.

Al final del movimiento, el pistón descubrirá un anillo de orificios de escape alrededor del centro del cilindro. Estos orificios están conectados al condensador. Esta acción bajará la presión en la cámara causando una liberación rápida. La rotación continua de la manivela es lo que mueve al pistón.

Máquina de vapor de turbinas

Máquina de vapor de turbinaLas máquinas de vapor de turbinas son el siguiente paso evolutivo de las máquinas de pistón.

Las viejas máquinas de vapor han ido dando paso a las turbinas. Las máquinas de vapor de turbinas mejoran su durabilidad, seguridad, relativa simplicidad y son más eficientes. En la turbina, un chorro de vapor de agua a elevada presión y temperatura. Este chorro de vapor se hace incidir de manera adecuada sobre una hélice con álabes con una sección determinada. 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.

Las turbinas de vapor de alta potencia utilizan una serie de discos giratorios que contienen una especie de palas tipo hélice en su borde exterior. Estos discos móviles o rotores se alternan con anillos estacionarios o estatores, fijados a la estructura de la turbina para redirigir el flujo del vapor.

Con este mecanismo se obtiene una velocidad muy alta de rotación. Debido a la alta velocidad las  turbinas están normalmente conectadas a reductor para convertir la energía cinética en potencia. El reductor va conectado a otro mecanismo tal como una hélice de un buque.

Las turbinas de vapor requieren menos mantenimiento y son más duraderas que las máquinas de émbolo. Las fuerzas de rotación que producen son más suaves en su eje de salida, lo que contribuye a un desgaste menor y menos mantenimiento.

El principal uso de las turbinas de vapor es en las estaciones de generación de electricidad. En este tipo de aplicación, su alta velocidad de operación es una ventaja y su volumen relativo no es una desventaja. Tanto en los campos de las centrales térmicas y la energía nuclear se utiliza este tipo de motor de vapor. Prácticamente todas las centrales nucleares generan electricidad mediante el calentamiento del agua y la alimentación de turbinas de vapor.

Otra aplicación de las máquinas de vapor de turbina es la impulsión de buques grandes y submarinos.

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Última revisión: 16 de noviembre de 2017