Máquina de vapor

Un modelo de un motor de haz con el enlace paralelo de James Watt para doble acción.

Un motor de molino de Stott Park Bobbin Mill, Cumbria, Inglaterra

Una locomotora de vapor de Alemania Oriental. Esta clase de motor fue construida en 1942-1950 y operada hasta 1988.

Un motor de arado de vapor por Kemna

Una máquina de vapor es una máquina térmica que realiza un trabajo mecánico utilizando vapor como fluido de trabajo. La máquina de vapor utiliza la fuerza producida por la presión del vapor para empujar un pistón hacia adelante y hacia atrás dentro de un cilindro. Esta fuerza de empuje puede transformarse, mediante una biela y una manivela, en fuerza de rotación para el trabajo. El término "máquina de vapor" generalmente se aplica solo a motores alternativos como se acaba de describir, no a la turbina de vapor. Las máquinas de vapor son motores de combustión externa, donde el fluido de trabajo se separa de los productos de combustión. El ciclo termodinámico ideal utilizado para analizar este proceso se denomina ciclo de Rankine. En el uso general, el término máquina de vapor puede referirse a plantas de vapor completas (incluidas las calderas, etc.), como locomotoras de vapor de ferrocarril y motores portátiles, o puede referirse solo a la maquinaria de pistón o turbina, como en la máquina de viga y en la máquina de vapor estacionaria.

Aunque los dispositivos impulsados por vapor se conocían ya en el eolipile en el siglo I d.C., con algunos otros usos registrados en el siglo XVI, en 1606 Jerónimo de Ayanz y Beaumont patentó su invención de la primera bomba de agua impulsada por vapor para drenaje de minas. Thomas Savery es considerado el inventor del primer dispositivo impulsado por vapor comercialmente utilizado, una bomba de vapor que usaba presión de vapor operando directamente sobre el agua. El primer motor comercialmente exitoso que podía transmitir potencia continua a una máquina fue desarrollado en 1712 por Thomas Newcomen. James Watt realizó una mejora crítica en 1764, al retirar el vapor gastado a un recipiente separado para la condensación, mejorando en gran medida la cantidad de trabajo obtenido por unidad de combustible consumido. En el siglo XIX, las máquinas de vapor estacionarias impulsaron las fábricas de la Revolución Industrial. Las máquinas de vapor reemplazaron las velas de los barcos en los vapores de paletas y las locomotoras de vapor operaron en los ferrocarriles.

Las máquinas de vapor de pistón alternativo fueron la fuente dominante de energía hasta principios del siglo XX, cuando los avances en el diseño de motores eléctricos y motores de combustión interna dieron como resultado el reemplazo gradual de las máquinas de vapor en el uso comercial. Las turbinas de vapor reemplazaron a los motores alternativos en la generación de energía, debido a su menor costo, mayor velocidad de operación y mayor eficiencia.

Historia

Primeros experimentos

Un "motor" de vapor rudimentario registrado fue el eolipilo descrito por Héroe de Alejandría, un matemático e ingeniero griego en el Egipto romano en el siglo I d.C. En los siglos siguientes, las pocas "máquinas" conocidos eran, como el eolipile, dispositivos esencialmente experimentales utilizados por los inventores para demostrar las propiedades del vapor.

Taqi al-Din describió un dispositivo de turbina de vapor rudimentario en el Egipto otomano en 1551 y Giovanni Branca en Italia en 1629. El inventor español Jerónimo de Ayanz y Beaumont recibió patentes en 1606 para 50 inventos impulsados por vapor, incluido un Bomba de agua para drenaje de minas inundadas. Denis Papin, un hugonote, realizó un trabajo útil en el digestor de vapor en 1679 y utilizó por primera vez un pistón para levantar pesas en 1690.

Motores de bombeo

El primer dispositivo comercial impulsado por vapor fue una bomba de agua, desarrollada en 1698 por Thomas Savery. Usó vapor de condensación para crear un vacío que elevó el agua desde abajo y luego usó la presión del vapor para elevarla más. Los motores pequeños eran efectivos, aunque los modelos más grandes eran problemáticos. Tenían una altura de elevación muy limitada y eran propensos a explosiones de calderas. El motor de Savery se usó en minas, estaciones de bombeo y suministro de agua a ruedas hidráulicas que accionan maquinaria textil. El motor de Savery era de bajo costo. Bento de Moura Portugal introdujo una mejora de la construcción de Savery "para hacerla capaz de trabajar por sí misma", como lo describe John Smeaton en Philosophical Transactions publicado en 1751. Continuó fabricándose hasta finales siglo 18. Todavía se sabía que al menos un motor estaba funcionando en 1820.

Máquinas de vapor de pistón

Motor de vapor de Jacob Leupold, 1720

El primer motor comercialmente exitoso que podía transmitir potencia continua a una máquina fue el motor atmosférico, inventado por Thomas Newcomen alrededor de 1712. Era una mejora de la bomba de vapor de Savery, usando un pistón como lo propuso Papin. El motor de Newcomen era relativamente ineficiente y se usaba principalmente para bombear agua. Funcionaba creando un vacío parcial al condensar vapor debajo de un pistón dentro de un cilindro. Se empleó para drenar trabajos mineros a profundidades que originalmente no eran prácticas utilizando medios tradicionales, y para proporcionar agua reutilizable para accionar ruedas hidráulicas en fábricas ubicadas lejos de un "cabezal" adecuado. El agua que pasaba sobre la rueda se bombeaba a un depósito de almacenamiento encima de la rueda. En 1780, James Pickard patentó el uso de un volante y un cigüeñal para proporcionar movimiento rotativo a partir de un motor Newcomen mejorado.

En 1720, Jacob Leupold describió una máquina de vapor de alta presión de dos cilindros. La invención se publicó en su obra principal "Theatri Machinarum Hydraulicarum". El motor usaba dos pistones pesados para proporcionar movimiento a una bomba de agua. Cada pistón se elevaba por la presión del vapor y volvía a su posición original por la gravedad. Los dos pistones compartían una válvula rotativa común de cuatro vías conectada directamente a una caldera de vapor.

Motor de bombeo de Watt temprano

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 utilizaban la mitad de carbón que la versión mejorada de Newcomen de John Smeaton. Los primeros motores de Newcomen y Watt eran "atmosféricos". Fueron accionados por presión de aire que empujaba un pistón hacia el vacío parcial generado por la condensación del 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 era la presión atmosférica.

Watt desarrolló aún más su motor, modificándolo para proporcionar un movimiento giratorio adecuado para la conducción de maquinaria. Esto permitió que las fábricas se ubicaran lejos de los ríos y aceleró 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 era en la que se utilizó el término. El uso temprano del término Van Reimsdijk se refiere a que el vapor está a una presión lo suficientemente alta como para que pueda expulsarse a la atmósfera sin depender del vacío para permitirle realizar un trabajo útil. Ewing 1894, pág. 22 establece que los motores de condensación de Watt se conocían, en ese momento, como motores de baja presión en comparación con los motores sin condensación de alta presión del mismo período.

La patente de Watt impedía que otros fabricaran motores compuestos y de alta presión. Poco después de que expirara la patente de Watt en 1800, Richard Trevithick y, por separado, Oliver Evans en 1801 introdujeron motores que utilizaban vapor a alta presión; Trevithick obtuvo su patente de motor de alta presión en 1802 y Evans había fabricado varios modelos funcionales 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 desarrollos tecnológicos y las mejoras en las técnicas de fabricación (provocadas en parte por la adopción de la máquina de vapor como fuente de energía) dieron como resultado el diseño de motores más eficientes que podían ser más pequeños, más rápidos o más potentes, según la aplicación prevista.

El motor de Cornualles fue desarrollado por Trevithick y otros en la década de 1810. Era un motor de ciclo compuesto que usaba vapor a alta presión de manera expansiva, luego condensaba el vapor a baja presión, haciéndolo relativamente eficiente. El motor de Cornualles tenía un movimiento y un par irregulares a lo largo del ciclo, limitándolo principalmente al bombeo. Los motores de Cornualles se utilizaron en las minas y para el suministro de agua hasta finales del siglo XIX.

Motor estacionario horizontal

Los primeros constructores de máquinas de vapor estacionarias consideraban que los cilindros horizontales estarían sujetos a un desgaste excesivo. Por lo tanto, sus motores estaban dispuestos con el eje del pistón en posición vertical. Con el tiempo, la disposición horizontal se hizo más popular, lo que permitió instalar motores compactos pero potentes en espacios más pequeños.

El punto culminante del motor horizontal fue el motor de vapor Corliss, patentado en 1849, que era un motor de contraflujo de cuatro válvulas con válvulas de admisión y escape de vapor separadas y corte de vapor variable automático. Cuando Corliss recibió la Medalla Rumford, el comité dijo que "ningún invento desde la época de Watt ha mejorado tanto la eficiencia de la máquina de vapor". Además de utilizar un 30 % menos de vapor, proporcionó una velocidad más uniforme debido al corte de vapor variable, lo que lo hace muy adecuado para la fabricación, especialmente para la hilatura de algodón.

Vehículos de carretera

Steam powered road-locomotive de Inglaterra

Los primeros vehículos de carretera experimentales impulsados por vapor se construyeron a fines 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 XIX vio un gran progreso en el diseño de vehículos de vapor, y en la década de 1850 se hizo viable producirlos comercialmente. Este progreso se vio frenado 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 de 1920. Los vehículos de carretera a vapor se utilizaron 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 a nivel comercial, quedando relativamente pocas en uso después de la Segunda Guerra Mundial. Muchos de estos vehículos fueron adquiridos por entusiastas para su conservación, y todavía 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 estudio de vehículos a vapor como un posible medio para reducir la contaminación. Aparte del interés de los entusiastas del vapor, la réplica ocasional del vehículo y la tecnología experimental, en la actualidad no hay vehículos de vapor en producción.

Motores marinos

Un motor de vapor marino de triple expansión en el tug de 1907 Hércules

Cerca de finales del siglo XIX, los motores compuestos se generalizaron. Los motores compuestos expulsaron vapor en cilindros cada vez más grandes para acomodar los volúmenes más altos a presiones reducidas, lo que mejoró la eficiencia. Estas etapas se denominaron expansiones, siendo comunes los motores de doble y triple expansión, especialmente en el transporte marítimo, donde la eficiencia era importante para reducir el peso del carbón transportado. Las máquinas de vapor siguieron siendo la fuente dominante de energía hasta principios del siglo XX, cuando los avances en el diseño de la turbina de vapor, los motores eléctricos y los motores de combustión interna gradualmente dieron como resultado el reemplazo de las máquinas de vapor reciprocantes (pistones), y la navegación mercante dependía cada vez más del diésel. motores y buques de guerra en la turbina de vapor.

Locomotoras de vapor

A medida que avanzaba el desarrollo de las máquinas de vapor durante el siglo XVIII, se hicieron varios intentos para aplicarlas al uso en carreteras y ferrocarriles. En 1784, William Murdoch, un inventor escocés, construyó un modelo de locomotora de vapor. El pionero de los barcos de vapor John Fitch diseñó y construyó un modelo de funcionamiento temprano de una locomotora de vapor en los Estados Unidos, probablemente durante las décadas de 1780 o 1790. Su locomotora de vapor utilizaba ruedas interiores de palas guiadas por raíles o vías.

Union Pacific 844 una locomotora de vapor tipo "FEF-3" 4-8-4 "Northern"

La primera locomotora de vapor de ferrocarril en funcionamiento a gran escala fue construida por Richard Trevithick en el Reino Unido y, el 21 de febrero de 1804, tuvo lugar el primer viaje en tren del mundo cuando la locomotora de vapor sin nombre de Trevithick remolcó un tren a lo largo del tranvía desde la fundición Pen-y-darren, cerca de Merthyr Tydfil hasta Abercynon en el sur de Gales. El diseño incorporó una serie de innovaciones importantes que incluían 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 mineros en el noreste de Inglaterra se convirtieron en el principal centro de experimentación y desarrollo de locomotoras de vapor.

Trevithick continuó sus propios experimentos usando un trío de locomotoras, concluyendo con Atrápame quien pueda en 1808. Solo cuatro años después, la exitosa locomotora de dos cilindros Salamanca de Matthew Murray fue utilizada por el Borde barandilla cremallera y piñón Middleton Railway. En 1825, George Stephenson construyó el Locomotion para el Ferrocarril de Stockton y Darlington. Este fue el primer ferrocarril de vapor público del mundo y luego, en 1829, construyó The Rocket, en el que participó y ganó los Rainhill Trials. El Ferrocarril de Liverpool y Manchester se inauguró en 1830 haciendo uso exclusivo de la energía de vapor tanto para los trenes de pasajeros como para los de carga.

Se siguieron fabricando locomotoras de vapor hasta finales del siglo XX en lugares como China y la antigua Alemania Oriental (donde se producía la DR Class 52.80).

Turbinas de vapor

La última gran evolución del diseño de la máquina de vapor fue el uso de turbinas de vapor a partir de finales del siglo XIX. Las turbinas de vapor son generalmente más eficientes que las máquinas de vapor de pistón alternativo (para salidas superiores a varios cientos de caballos de fuerza), tienen menos piezas móviles y proporcionan potencia rotatoria directamente en lugar de a través de un sistema de biela o medios similares. Las turbinas de vapor prácticamente reemplazaron 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 rotación suave eran ventajas. Hoy en día, la mayor parte de la energía eléctrica es proporcionada por 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. Las turbinas de vapor se aplicaron ampliamente para la propulsión de grandes barcos durante la mayor parte del siglo XX.

Desarrollo actual

Aunque el motor de vapor alternativo ya no tiene un uso comercial generalizado, varias empresas están explorando o explotando el potencial del motor como alternativa a los motores de combustión interna.

Componentes y accesorios de máquinas de vapor

Hay dos componentes fundamentales de una planta de vapor: la caldera o generador de vapor, y la "unidad de motor", denominada a sí misma como "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, los dos se montan juntos.

El motor alternativo ampliamente utilizado generalmente constaba de un cilindro de hierro fundido, un pistón, una biela y una viga o una manivela y un volante, y conexiones varias. El vapor se suministraba y expulsaba alternativamente por una o más válvulas. El control de velocidad era automático, usando un gobernador, o mediante 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 de los que tienen escape a la atmósfera.

A menudo hay otros componentes 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 diversos mecanismos para aumentar la tiro para cámaras de combustión. Cuando se usa carbón, se puede incluir un mecanismo de alimentación de cadena o tornillo y su motor impulsor o motor para mover el combustible desde un recipiente de suministro (búnker) a la cámara de combustión.

Fuente de calor

El calor necesario para hervir el agua y elevar la temperatura del vapor puede derivarse de varias fuentes, más comúnmente de la quema de materiales combustibles con un suministro adecuado de aire en un espacio cerrado (por ejemplo, cámara de combustión, caja de fuego, horno). En el caso de maquetas o máquinas de vapor de juguete y algunos casos a gran escala, la fuente de calor puede ser un elemento calefactor eléctrico.

Calderas

Una caldera industrial utilizada para un motor de vapor estacionario

Las calderas son recipientes a presión que contienen agua para hervir, y características que transfieren el calor al agua de la manera más eficaz posible.

Los dos tipos más comunes son:

Caldera de agua-tubo

El agua pasa a través de tubos rodeados de gas caliente.

Caldera de tubo de fuego

El gas caliente se pasa a través de tubos inmersos en agua, el mismo agua también circula en una chaqueta de agua que rodea la caja de fuego y, en calderas locomotoras de alto rendimiento, también pasa a través de tubos en la propia caja de fuego (sinfonía térmica y circuladores de seguridad).

Las calderas pirotubulares fueron el tipo principal utilizado para los primeros vapores de alta presión (práctica típica de las locomotoras de vapor), pero fueron desplazadas en gran medida por las calderas acuotubulares más económicas a fines del siglo XIX para la propulsión marina y grandes estacionarias. aplicaciones

Muchas calderas elevan la temperatura del vapor después de haber salido de la parte de la caldera donde está en contacto con el agua. Conocido como sobrecalentamiento, se convierte en '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 turbina de vapor o cualquier otro dispositivo similar para realizar un trabajo mecánico toma un suministro de vapor a alta presión y temperatura y emite un suministro de vapor a menor presión y temperatura, utilizando la mayor cantidad de diferencia en la energía del vapor como sea posible para hacer trabajo mecánico.

Estas "unidades motoras" a menudo se denominan 'máquinas de vapor' en su propio derecho. 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.

Fregadero frío

Al igual que con todos los motores térmicos, la mayor parte de la energía primaria debe emitirse como calor residual a una temperatura relativamente baja.

El sumidero frío más simple es ventilar el vapor al medio ambiente. Esto se usa a menudo en locomotoras de vapor para evitar el peso y el volumen de los condensadores. Parte del vapor liberado se ventila por la chimenea para aumentar el consumo del fuego, lo que aumenta en gran medida la potencia del motor, pero reduce la eficiencia.

A veces, el calor residual del motor es útil en sí mismo y, en esos casos, se puede obtener una eficiencia general muy alta.

Las máquinas de vapor en las centrales eléctricas estacionarias utilizan condensadores de superficie como disipadores de frío. Los condensadores se enfrían con el flujo de agua de los océanos, ríos, lagos y, a menudo, con torres de enfriamiento que evaporan el agua para eliminar la energía de enfriamiento. El agua caliente condensada resultante (condensado) se vuelve a bombear a presión y se envía de vuelta 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 torres de enfriamiento por evaporación (húmedas), que utilizan un circuito de agua externo secundario que evapora parte del flujo hacia el aire.

Los barcos fluviales usaban inicialmente un condensador de chorro en el que se inyecta agua fría del río en el vapor de escape del motor. Mezcla de agua de refrigeración y condensado. Si bien esto también se aplicaba a los buques de alta mar, por lo general, después de unos pocos días de funcionamiento, la caldera se recubría con sal depositada, lo que reducía el rendimiento y aumentaba el riesgo de explosión de la caldera. A partir de 1834, el uso de condensadores de superficie en los barcos eliminó el ensuciamiento de las calderas y mejoró la eficiencia del motor.

El agua evaporada no se puede utilizar para fines posteriores (aparte de la lluvia en algún lugar), mientras que el agua del río se puede reutilizar. En todos los casos, el agua de alimentación de la caldera de la planta de vapor, que debe mantenerse pura, se mantiene separada del agua de refrigeración o del aire.

Un inyector utiliza un chorro de vapor para forzar el agua en la caldera. Los inyectores son ineficientes pero lo suficientemente simples para ser adecuados para su uso en locomotoras.

Bomba de agua

La mayoría de las calderas de vapor tienen un medio para suministrar agua a presión, de modo que puedan funcionar de forma continua. Las calderas industriales y de servicios públicos suelen utilizar bombas centrífugas multietapa; sin embargo, se utilizan otros tipos. Otro medio de suministrar agua de alimentación a la caldera a baja presión es un inyector, que utiliza un chorro de vapor normalmente suministrado desde la caldera. Los inyectores se hicieron populares en la década de 1850, pero ya no se usan mucho, excepto en aplicaciones como las 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 por encima de los 100 °C (212 °F) punto de ebullición del agua a una presión atmosférica, y por ese medio aumentar la eficiencia de el ciclo de vapor.

Seguimiento y control

El instrumento indicador de Richard de 1875. Ver: Diagrama de indicadores (bajo)

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 necesidad de intervención humana.

El instrumento más útil para analizar el rendimiento de las máquinas de vapor es el indicador de máquina de vapor. Las primeras versiones estaban en uso en 1851, pero el indicador más exitoso fue desarrollado para 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 traza 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 utilizado habitualmente por ingenieros, mecánicos e inspectores de seguros. El indicador del motor también se puede utilizar en motores de combustión interna. Vea la imagen del diagrama del indicador a continuación (en la sección Tipos de unidades de motor).

Gobernadora

Gobernador centrífugo en el motor Boulton & Watt 1788 Lap Engine.

James Watt adoptó el gobernador centrífugo 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 harinero Boulton & Watt estaban construyendo. El gobernador en realidad no podría mantener una velocidad establecida, porque asumiría una nueva velocidad constante en respuesta a los cambios de carga. El gobernador pudo manejar variaciones más pequeñas, como las causadas por la fluctuación de la carga de calor en la caldera. Además, había una tendencia a la oscilación cada vez que había un cambio de velocidad. En consecuencia, los motores equipados únicamente con este gobernador no eran adecuados para operaciones que requerían una velocidad constante, como la hilatura 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 sencillo

En un motor simple, o "motor de expansión única" 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 expulsa directamente a la atmósfera o a un condensador. A medida que el vapor se expande al pasar por un motor de alta presión, su temperatura desciende porque no se agrega calor al sistema; esto se conoce como expansión adiabática y da como resultado que el vapor ingrese al cilindro a alta temperatura y salga a una temperatura más baja. Esto provoca un ciclo de calentamiento y enfriamiento del cilindro con cada carrera, lo cual es una fuente de ineficiencia.

La pérdida de eficiencia predominante en las máquinas de vapor alternativas es la condensación y la reevaporación del cilindro. El cilindro de vapor y las piezas/puertos metálicos adyacentes funcionan 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 admite vapor a alta presión en el cilindro de trabajo, gran parte del vapor a alta temperatura se condensa en forma de gotas de agua sobre las superficies metálicas, lo que reduce significativamente el vapor disponible para trabajos expansivos. Cuando el vapor en expansión alcanza una presión baja (especialmente durante la carrera de escape), las gotitas de agua previamente depositadas que se acababan de formar dentro del cilindro/puertos ahora se evaporan (reevaporación) y este vapor no realiza más trabajo en el cilindro.

Existen límites prácticos en la relación de expansión de un cilindro de máquina de vapor, ya que el aumento de la superficie del cilindro tiende a exacerbar los problemas de condensación y reevaporación del cilindro. Esto niega las ventajas teóricas asociadas con una alta relación de expansión en un cilindro individual.

Motores compuestos

En 1804, el ingeniero británico Arthur Woolf, quien patentó su motor compuesto de alta presión, inventó un método para reducir la magnitud de la pérdida de energía en un cilindro muy largo. en 1805. En el motor compuesto, el vapor de alta presión de la caldera se expande en un cilindro de alta presión (HP) y luego ingresa a uno o más cilindros de baja presión (LP) posteriores. La expansión completa del vapor ahora ocurre a través de múltiples cilindros, con la caída de temperatura general dentro de cada cilindro reducida considerablemente. Al expandir el vapor en pasos con un rango de temperatura más pequeño (dentro de cada cilindro), se reduce el problema de eficiencia de condensación y reevaporación (descrito anteriormente). Esto reduce la magnitud del calentamiento y enfriamiento del cilindro, aumentando la eficiencia del motor. Al organizar la expansión en varios cilindros, se pueden reducir las variaciones de par. Para obtener el mismo trabajo de un cilindro de menor presión, se requiere un volumen de cilindro mayor, ya que este vapor ocupa un volumen mayor. Por lo tanto, el diámetro interior y, en casos excepcionales, la carrera aumentan en los 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 se pueden duplicar o el trabajo del cilindro grande de baja presión se puede dividir con un cilindro de alta presión que se descarga en uno u otro, dando un diseño de tres cilindros donde el cilindro y el diámetro del pistón son aproximadamente iguales, haciendo que el movimiento alternativo masas más fáciles de equilibrar.

Los compuestos de dos cilindros se pueden organizar como:

• Compuestos cruzados: Los cilindros están lado a lado.
• Compuestos tándem: Los cilindros están al final, conduciendo una barra de conexión común
• Compuestos angostos: Los cilindros están dispuestos en una V (normalmente a un ángulo de 90°) y conducen una manivela común.

Con los compuestos de dos cilindros utilizados en el trabajo ferroviario, los pistones están conectados a las manivelas como con un simple de dos cilindros a 90 ° desfasado entre sí (cuarteado). Cuando se duplica el grupo de doble expansión, produciendo un compuesto de cuatro cilindros, los pistones individuales dentro del grupo generalmente se equilibran a 180°, y los grupos se ajustan a 90° entre sí. En un caso (el primer tipo de compuesto de Vauclain), los pistones trabajaban en la misma fase impulsando una cruceta y un cigüeñal comunes, nuevamente ajustados a 90° como para un motor de dos cilindros. Con la disposición compuesta de tres cilindros, las bielas LP se fijaron a 90° con la HP a 135° con respecto a las otras dos o, en algunos casos, las tres bielas se fijaron a 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 las locomotoras de ferrocarril, donde a menudo se percibía como complicado. Esto se debe en parte al duro entorno operativo ferroviario y al espacio limitado que ofrece el gálibo de carga (particularmente 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

Una animación de un motor de triple expansión simplificado. El vapor de alta presión (rojo) entra desde la caldera y pasa por el motor, agotador como vapor de baja presión (azul), generalmente a un condensador.

Es una extensión lógica del motor compuesto (descrito anteriormente) para dividir la expansión en aún 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 motores de expansión cuádruple respectivamente. Estos motores utilizan 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, se pueden usar dos cilindros más pequeños para la etapa de baja presión. Los motores de expansión múltiple generalmente tenían los cilindros dispuestos en línea, pero se utilizaron varias 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 Y-S-T 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 funcionó con menos vibración. Esto hizo que el motor de cuatro cilindros y triple expansión fuera popular entre los grandes transatlánticos de pasajeros (como la clase olímpica), pero finalmente fue reemplazado por el motor de turbina prácticamente sin vibraciones. Sin embargo, se observa que se utilizaron motores de vapor alternativos de triple expansión para impulsar los barcos Liberty de la Segunda Guerra Mundial, con mucho, la mayor cantidad de barcos idénticos jamás construidos. Se construyeron más de 2700 barcos, en los Estados Unidos, a partir de un diseño original británico.

La imagen de esta sección muestra una animación de un motor de triple expansión. El vapor viaja a través del motor de izquierda a derecha. La caja de válvulas de cada uno de los cilindros se encuentra a la izquierda del cilindro correspondiente.

Las máquinas de vapor terrestres podían descargar su vapor a la atmósfera, ya que el agua de alimentación solía estar fácilmente disponible. Antes y durante la Primera Guerra Mundial, el motor de expansión dominaba las aplicaciones marinas, donde la alta velocidad del barco no era esencial. Sin embargo, fue reemplazada por la turbina de vapor de invención británica donde se requería velocidad, por ejemplo, en buques de guerra, como los acorazados acorazados y los transatlánticos. El HMS Dreadnought de 1905 fue el primer gran buque de guerra en reemplazar la tecnología comprobada del motor alternativo con la entonces novedosa turbina de vapor.

Tipos de unidades motoras

Pistón alternativo

Motor estacionario de doble actuación. Este fue el motor de molino común de mediados del siglo XIX. Tenga en cuenta la válvula de diapositiva con cóncava, casi "D" en forma, debajo.

Esquemático diagrama de indicador que muestra los cuatro eventos en una doble carrera del pistón. Véase: Vigilancia y control (arriba)

En la mayoría de los motores de pistones alternativos, el vapor invierte su dirección de flujo en cada carrera (contraflujo), entrando y saliendo por el mismo extremo del cilindro. El ciclo completo del motor ocupa una rotación del cigüeñal y dos carreras del pistón; el ciclo también comprende cuatro eventos: admisión, expansión, escape, compresión. Estos eventos están controlados por válvulas que a menudo funcionan dentro de una cofre de vapor adyacente al cilindro; las válvulas distribuyen el vapor abriendo y cerrando los puertos de vapor que se comunican con los extremos del cilindro y son accionadas por engranajes de válvulas, de los cuales hay muchos tipos.

Los engranajes de válvulas más simples dan eventos de duración 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, además, puede proporcionar medios para ahorrar vapor a medida que se gana velocidad e impulso al "reducir el corte" o más bien, acortando el evento de admisión; esto a su vez alarga proporcionalmente el período de expansión. Sin embargo, como una misma válvula suele controlar ambos flujos de vapor, un breve corte en la admisión afecta negativamente a los períodos 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, ahogándolo y dando una compresión excesiva ("retroceso").

En las décadas de 1840 y 1850, hubo intentos de superar este problema por medio de varios engranajes de válvulas patentados con una válvula de expansión de corte variable separada montada en la parte posterior de la válvula de corredera principal; este último generalmente tenía un corte fijo o limitado. La configuración combinada dio una buena aproximación de los eventos ideales, a expensas de una mayor fricción y desgaste, y el mecanismo tendía a ser complicado. La solución de compromiso habitual ha sido proporcionar lap alargando las superficies de fricción de la válvula de tal manera que se solapen con 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 haya 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 simples de Stephenson, Joy y Walschaerts. Corliss, y más tarde, los engranajes de válvula de asiento tenían válvulas de admisión y escape separadas impulsadas por mecanismos de disparo o levas perfiladas para dar eventos ideales; la mayoría de estos engranajes nunca tuvieron éxito fuera del mercado estacionario debido a otros problemas, como fugas y mecanismos más delicados.

Compresión

Antes de que la fase de escape esté completamente completa, el lado de escape de la válvula se cierra, cerrando una parte del vapor de escape dentro del cilindro. Esto determina la fase de compresión donde se forma un colchón de vapor contra el cual el pistón trabaja mientras su velocidad disminuye rápidamente; evita además el choque de presión y temperatura, que de otro modo sería causado por la admisión repentina del vapor a alta presión al comienzo del siguiente ciclo.

Plomo en la distribución de válvulas

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 a la válvula plomo de modo que la admisión se produzca un poco antes del final de la carrera de escape para llenar el volumen de juego que comprende las lumbreras y los extremos del cilindro (que no forma parte del volumen de barrido del pistón) antes de que el vapor comience a ejercer esfuerzo sobre el pistón.

Motor Uniflow (o sin flujo)

Animación de un motor de vapor uniflow.
Las válvulas de poppet están controladas por la cámara giratoria en la parte superior. El vapor de alta presión entra, rojo, y se agota, amarillo.

Los motores Uniflow intentan remediar las dificultades que surgen del ciclo de contraflujo habitual en el que, durante cada carrera, el puerto y las paredes del cilindro se enfriarán por el vapor de escape que pasa, mientras que el vapor de admisión más caliente desperdiciará parte de su energía en restaurar la temperatura de trabajo. El objetivo del uniflow es remediar este defecto y mejorar la eficiencia al proporcionar un puerto adicional descubierto por el pistón al final de cada carrera que hace que el vapor fluya solo en una dirección. De esta manera, el motor uniflow de expansión simple brinda una eficiencia equivalente a la de los sistemas compuestos clásicos con la ventaja adicional de un rendimiento superior a carga parcial y una eficiencia comparable a las turbinas para motores más pequeños por debajo de mil caballos de fuerza. Sin embargo, el gradiente de expansión térmica que producen los motores uniflow a lo largo de la pared del cilindro presenta dificultades prácticas.

Motores de turbina

Un rotor de una moderna turbina de vapor, utilizado en una planta de energía

Una turbina de vapor consta de uno o más rotores (discos giratorios) montados en un eje de transmisión, alternando con una serie de estatores (discos estáticos) fijados a la turbina caja. Los rotores tienen una disposición de palas similar a una hélice en el borde exterior. El vapor actúa sobre estas palas, produciendo un movimiento giratorio. El estator consta de una serie de álabes similares, pero fijos, que sirven para redirigir el flujo de vapor a la siguiente etapa del rotor. Una turbina de vapor a menudo descarga en un condensador de superficie que proporciona un vacío. Las etapas de una turbina de vapor generalmente se organizan para extraer el máximo trabajo potencial de una velocidad y presión de vapor específicas, lo que da lugar a una serie de etapas de alta y baja presión de tamaño variable. Las turbinas solo son eficientes si giran a una velocidad relativamente alta, por lo tanto, generalmente están conectadas a engranajes reductores para impulsar aplicaciones de menor velocidad, como la hélice de un barco. En la gran mayoría de las grandes centrales eléctricas, las turbinas están conectadas directamente a los generadores sin engranajes reductores. Las velocidades típicas son 3600 revoluciones por minuto (RPM) en los Estados Unidos con una potencia de 60 Hertz y 3000 RPM en Europa y otros países con sistemas de energía eléctrica de 50 Hertz. En aplicaciones de energía nuclear, las turbinas normalmente funcionan a la mitad de estas velocidades, 1800 RPM y 1500 RPM. El rotor de una turbina también solo puede proporcionar energía cuando gira en una dirección. Por lo tanto, generalmente se requiere una etapa o caja de cambios de inversión 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 articulación para convertir el movimiento alternativo en rotatorio. 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 accionan que un motor alternativo comparable.

Turbinia – el primer barco a vapor

El principal uso de las turbinas de vapor es la generación de electricidad (en la década de 1990, alrededor del 90 % de la producción eléctrica mundial se realizó mediante el uso de turbinas de vapor), sin embargo, la reciente aplicación generalizada de grandes unidades de turbinas de gas y ciclo combinado típico centrales eléctricas se ha traducido en la reducción de este porcentaje al régimen del 80% para las turbinas de vapor. En la producción de electricidad, la alta velocidad de rotación de la turbina se adapta bien a la velocidad de los generadores eléctricos modernos, que normalmente están conectados directamente a sus turbinas impulsoras. En el servicio marítimo (iniciado en el Turbinia), las turbinas de vapor con engranajes reductores (aunque el Turbinia tiene turbinas directas a las hélices sin engranajes reductores) dominaron la propulsión de grandes barcos a finales del siglo XX, siendo más eficientes (y requiere mucho menos mantenimiento) que las máquinas de vapor alternativas. En las últimas décadas, los motores diésel alternativos y las turbinas de gas han suplantado casi por completo 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 la propulsión principal, con generadores que proporcionan energía auxiliar, o emplean una transmisión turboeléctrica, donde el vapor impulsa un grupo turbogenerador con propulsión proporcionada por motores eléctricos. Se fabricó un número limitado de locomotoras de ferrocarril de turbina de vapor. Algunas locomotoras de transmisión directa sin condensación tuvieron cierto éxito para las operaciones de carga 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, se construyeron experimentalmente diseños más avanzados con transmisión eléctrica, pero no se reprodujeron. Se descubrió que las turbinas de vapor no se adaptaban idealmente al entorno ferroviario y estas locomotoras no lograron derrocar a la unidad de vapor alternativa clásica de la forma en que lo ha hecho la tracción eléctrica y diesel moderna.

Funcionamiento de un motor de vapor de cilindro oscilante simple

Máquinas de vapor de cilindro oscilante

Una máquina de vapor de cilindro oscilante es una variante de la máquina 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 orificios en el cilindro se alinean con orificios en una cara de puerto fija o en el montaje del pivote (muñón). Estos motores se utilizan principalmente en juguetes y maquetas, debido a su simplicidad, pero también se han utilizado en motores de trabajo de tamaño completo, principalmente en barcos donde se valora su compacidad.

Máquinas rotativas de vapor

Es posible utilizar un mecanismo basado en un motor rotativo sin pistones, como el motor Wankel, en lugar de los cilindros y el mecanismo de válvulas de un motor de vapor alternativo convencional. Se han diseñado muchos de estos motores, desde la época de James Watt hasta la actualidad, pero en realidad se construyeron relativamente pocos y aún menos se fabricaron en cantidad; ver 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 frente al 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 serio con muchos de estos diseños.

En la década de 1840, estaba claro que el concepto tenía problemas inherentes y los motores rotativos fueron tratados con cierta burla en la prensa técnica. Sin embargo, la llegada de la electricidad a la escena y las obvias ventajas de conducir una dínamo directamente desde un motor de alta velocidad llevaron a un resurgimiento del interés en las décadas de 1880 y 1890, y algunos diseños tuvieron un éxito limitado.

De los pocos diseños que se fabricaron en cantidad, se destacan los de Hult Brothers Rotary Steam Engine Company de Estocolmo, Suecia, y el motor esférico de la Torre Beauchamp. Los motores de la torre fueron utilizados por Great Eastern Railway para impulsar dinamos de iluminación en sus locomotoras, y por el Almirantazgo para impulsar dinamos a bordo de los barcos de la Royal Navy. Eventualmente fueron reemplazadas en estas aplicaciones de nicho por turbinas de vapor.

Un aeolipile gira debido al vapor escapando de los brazos. No se hizo ningún uso práctico de este efecto.

Tipo de cohete

El eolipile representa el uso del 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 cohetes, particularmente para cohetes. Los cohetes de vapor funcionan llenando un recipiente a presión con agua caliente a alta presión y abriendo una válvula que conduce a una boquilla adecuada. La caída de presión inmediatamente hierve parte del agua y el vapor sale a través de una boquilla, creando una fuerza propulsora.

El carruaje de Ferdinand Verbiest fue impulsado por un eolipile en 1679.

Seguridad

Las máquinas 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 estrictas leyes, pruebas, capacitación, cuidado con la fabricación, operación y certificación para garantizar la seguridad.

Los modos de falla pueden incluir:

• sobre la presión de la caldera
• insuficiente agua en la caldera causando sobrecalentamiento y falla del vaso
• acumulación de sedimento y escala que causan puntos calientes locales, especialmente en botes fluviales utilizando agua de alimentación sucia
• falla de la caldera por falta de construcción o mantenimiento.
• escape de vapor de tuberías / boiler causando escalada

Las máquinas de vapor poseen frecuentemente dos mecanismos independientes para asegurar que la presión en la caldera no suba demasiado; uno puede ser ajustado por el usuario, el segundo generalmente está diseñado como un mecanismo de seguridad definitivo. Tales válvulas de seguridad tradicionalmente usaban una palanca simple para sujetar 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. Los conductores de motores podían ajustar las primeras válvulas, lo que provocaba muchos accidentes cuando un conductor ajustaba la válvula hacia abajo para permitir una mayor presión de vapor y más potencia del motor. El tipo más reciente de válvula de seguridad utiliza una válvula cargada por resorte ajustable, que está bloqueada de modo que los operadores no puedan alterar su ajuste a menos que se rompa ilegalmente un sello. Esta disposición es considerablemente más segura.

Puede haber tapones fusibles de plomo en la parte superior de la cámara de combustión de la caldera. Si el nivel del agua cae, 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, quienes pueden apagar el fuego manualmente. Excepto en las calderas más pequeñas, el escape de vapor tiene poco efecto para apagar el fuego. Los tapones también tienen un área demasiado pequeña para reducir significativamente la presión del vapor, lo que despresuriza la caldera. Si fueran más grandes, el volumen de vapor que escapa pondría en peligro a la tripulación.

Ciclo de vapor

Diagrama de flujo de los cuatro dispositivos principales utilizados en el ciclo Rankine. 1) Bomba de agua corriente 2) Boiler o generador de vapor 3) Turbina o motor 4) Condenador; donde Q= calor y W= trabajo. La mayor parte del calor es rechazado como desperdicio.

El ciclo de Rankine es el fundamento termodinámico fundamental de la máquina de vapor. El ciclo es una disposición de componentes que se usa normalmente para la producción de energía simple y utiliza el cambio de fase del agua (agua hirviendo que produce vapor, condensación del vapor de escape, producción de agua líquida)) para proporcionar un sistema práctico de conversión de calor/energía. El calor se suministra externamente a un circuito cerrado y parte del calor agregado se convierte en trabajo y el calor residual se elimina en un condensador. El ciclo Rankine se utiliza prácticamente en todas las aplicaciones de producción de energía de vapor. En la década de 1990, los ciclos de vapor de Rankine generaron alrededor del 90% de toda la energía eléctrica utilizada en todo el mundo, incluidas prácticamente todas las plantas de energía solar, de biomasa, de carbón y nuclear. Lleva el nombre de William John Macquorn Rankine, un erudito escocés.

El ciclo de Rankine a veces se denomina ciclo de Carnot práctico porque, cuando se usa una turbina eficiente, el diagrama TS comienza a parecerse 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 e isotérmicos (temperatura constante) en el ciclo teórico de Carnot. En este ciclo, se utiliza una bomba para presurizar el fluido de trabajo que se recibe del condensador como líquido y no como gas. Bombear el 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 gaseosa en un compresor (como en el ciclo de Carnot). El ciclo de una máquina de vapor alternativa difiere del de las turbinas debido a la condensación y reevaporación que se produce en el cilindro o en los conductos de entrada de vapor.

El fluido de trabajo en un ciclo de Rankine puede operar como un sistema de circuito cerrado, donde el fluido de trabajo se recicla continuamente, o puede ser un "bucle abierto" donde el vapor de escape se libera directamente a la atmósfera y se suministra una fuente separada de agua que alimenta la caldera. 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 utilizar 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 el poder 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 modelo de máquina de vapor condujeron al desarrollo del condensador separado. Watt descubrió de forma independiente el calor latente, lo que fue confirmado por el descubridor original Joseph Black, quien también aconsejó a Watt sobre los procedimientos experimentales. Watt también estaba al tanto del cambio en el punto de ebullición del agua con la presión. De lo contrario, las mejoras en el motor en sí fueron de naturaleza más mecánica. Los conceptos termodinámicos del ciclo de Rankine dieron a los ingenieros la comprensión necesaria para calcular la eficiencia que ayudó al desarrollo de las calderas modernas de alta presión y temperatura y la turbina de vapor.

Eficiencia

La eficiencia del ciclo de un motor se puede calcular dividiendo la producción de energía del trabajo mecánico que produce el motor por la energía que le inyecta el combustible quemado.

La medida histórica de la eficiencia energética de una máquina de vapor fue su "deber". Watt introdujo por primera vez el concepto de deber para ilustrar cuánto más eficientes eran sus motores en comparación con los diseños anteriores de Newcomen. El deber es la cantidad de libras-pie de trabajo que se entregan al quemar un bushel (94 libras) de carbón. Los mejores ejemplos de diseños de Newcomen tenían un deber de alrededor de 7 millones, pero la mayoría estaba más cerca de los 5 millones. Los diseños originales de baja presión de Watt podían generar una carga de trabajo de hasta 25 millones, pero promediaron alrededor de 17. Esta fue una mejora triple con respecto al diseño promedio de Newcomen. Los primeros motores Watt equipados con vapor a alta presión mejoraron esto a 65 millones.

Ninguna máquina térmica puede ser más eficiente que el ciclo de Carnot, en el que el calor se mueve de un depósito de alta temperatura a uno de baja temperatura, y la eficiencia depende de la diferencia de temperatura. Para obtener la mayor eficiencia, las máquinas de vapor deben funcionar 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 que la presión alcance niveles supercríticos para el fluido de trabajo, el rango de temperatura en el que puede operar el ciclo es pequeño; en las turbinas de vapor, las temperaturas de entrada de la turbina suelen ser de 565 °C (el límite de fluencia del acero inoxidable) y las temperaturas del condensador rondan los 30 °C. Esto da una eficiencia teórica de Carnot de alrededor del 63% en comparación con una eficiencia real del 42% para una central eléctrica moderna alimentada con carbón. Esta baja temperatura de entrada a la turbina (en comparación con una turbina de gas) es la razón por la cual el ciclo de Rankine se usa a menudo como ciclo de fondo en las centrales eléctricas de turbinas de gas de ciclo combinado.

Una de las principales ventajas que tiene el ciclo de Rankine sobre otros es que durante la etapa de compresión se requiere relativamente poco trabajo para impulsar la bomba, ya que el fluido de trabajo se encuentra 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 a la turbina que se acercan a los 1500 °C. No obstante, las eficiencias de los grandes ciclos de vapor reales y las grandes turbinas de gas modernas de ciclo simple se igualan bastante bien.

En la práctica, un ciclo de máquina de vapor alternativo que expulsa el vapor a la atmósfera normalmente tendrá una eficiencia (incluida la caldera) en el rango de 1 a 10 %. Sin embargo, con la adición de un condensador, válvulas Corliss, expansión múltiple y alta presión/temperatura del vapor, se puede mejorar mucho. Históricamente en el rango de 10 a 20%, y muy rara vez ligeramente más alto.

Una central eléctrica grande y moderna (que produce varios cientos de megavatios de salida eléctrica) con recalentamiento de vapor, economizador, etc. logrará una eficiencia en el rango medio del 40 %, con las unidades más eficientes acercándose al 50 % de eficiencia térmica.

También es posible capturar el calor residual mediante la cogeneración, en la que el calor residual se utiliza para calentar un fluido de trabajo con un punto de ebullición más bajo o como fuente de calor para calefacción urbana a través de vapor saturado de baja presión.

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  Una locomotora de vapor - una GNR N2 Clase No.1744 en Weybourne nr. Sheringham, Norfolk

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  Una bicicleta a vapor de John van de Riet, en Dortmund

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  Motor de bomberos británico con bomba de agua a vapor

Referencias