La máquina a vapor

INTRODUCCION

La máquina a vapor es el origen del formidable desarrollo del maquinismo moderno; se puede afirmar que en el curso de este desarrollo, el descubrimiento del motor de combustión interna ha sido toda una revolución, de importancia comparable a la que provocó la aparición de la máquina de vapor.

La idea de utilizar presión para empujar algo hacia arriba o hacia adelante no es nueva. Un tipo de turbina (máquina) de vapor fue diseñada hace aproximadamente 2000 años por Hero de Alejandría. Los chinos ya utilizaban cohetes pirotécnicos que funcionaban con pólvora hace más de 800 años. Sir Isaac Newton explicó el principio del empuje por reacción en sus "leyes de la dinámica" en 1687. En 1791, John Barber de Inglaterra diseñó una turbina de gas, pero tuvieron que pasar 100 años para que se desarrollaran los materiales adecuados para construirla.

El motor de gas de Lenoir (1860), que funcionaba con explosiones, pero sin compresión previa, fue el primer motor industrial. Después, el motor de "compresión previa y ciclo de 4 tiempos", definido por Beau de Rochas (1862) y realizado por Otto en 1878, provee a la industria de un motor de media potencia, cuyo precio y complicación no son comparables al conjunto generador-máquina de vapor.

Posteriormente, en 1893, Rudolph Diesel enuncia el principio del motor de "combustión interna y alta compresión previa", sin encendido, el cual debía ser alimentado directamente por un combustible pesado, no fluido y relativamente económico.

Con el tiempo, se encontró que los motores más potentes tienen necesariamente que ser multicilíndricos. Por ello comienzan a desarrollarse numerosos tipos de motores, cambiando principalmente el tipo de combustible (y por ende el principio que los rige), así como también variando la disposición de los cilindros, con el fin de lograr un máximo de potencia.

Así es como nacen los Motores de combustión o Radiales (también llamados motores en estrella); motores cuyos cilindros están dispuestos en ejes radiales simétricos.

I. CLASES DE MOTORES

Un motor es la parte sistemática de una máquina capaz de hacer funcionar el sistema transformando algún tipo de energía (eléctrica, de combustibles fósiles, etc.), en energía mecánica capaz de realizar un trabajo. En los automóvil es este efecto es una fuerza que produce el movimiento.

Existen diversos tipos, siendo de los más comunes los siguientes:

1. MOTOR ELECTRICO

Es aquel motor que transforma la energía eléctrica en energía mecánica, por medio de la repulsión que presenta un objeto metálico cargado eléctricamente ante un imán permanente. Son máquinas eléctricas rotatorias.

Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras o en automóviles híbridos realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos regenerativos.

Son muy utilizados en instalaciones industriales, comerciales y particulares. Pueden funcionar conectados a una red de suministro eléctrico o a baterías. Así, en automóviles se están empezando a utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de ambos.

VENTAJAS

• A igual potencia, su tamaño y peso son más reducidos.

• Se pueden construir de cualquier tamaño y forma, siempre que el voltaje lo permita.

• Tiene un par de giro elevado y, según el tipo de motor, prácticamente constante.

• Su rendimiento es muy elevado (típicamente en torno al 75%, aumentando a medida que se incrementa la potencia de la máquina).

• Este tipo de motores no emite contaminantes, aunque en la generación de energía eléctrica de la mayoría de las redes de suministro sí emiten contaminantes.

• No necesita de refrigeración ni ventilación forzada, están autoventilados.

• No necesita de transmisión/marchas.

2. MOTOR HIDRAULICO

Un motor hidráulico es un actuador mecánico que convierte presión hidráulica y flujo en un par de torsión y un desplazamiento angular, es decir, en una rotación o giro. Su funcionamiento es pues inverso al de las bombas hidráulicas y es el equivalente rotatorio del cilindro hidráulico. Se emplean sobre todo porque entregan un par muy grande a velocidades de giro pequeñas en comparación con los motores eléctricos.

TIPOS DE MOTORES HIDRAULICOS

MOTORES DE ENGRANAJES

Son de tamaño reducido y pueden girar en los dos sentidos, pero el par es pequeño, son ruidosos, pueden trabajar a altas velocidades pero de forma análoga a los motores de paletas, su rendimiento cae a bajas velocidades.

MOTORES DE PALETAS

Tienen la misma estructura que las bombas de paletas, pero el movimiento radial de las paletas debe ser forzado, mientras que en las bombas se debe a la fuerza centrífuga.

MOTORES DE PISTONES

Son los más empleados de todos ya que se consiguen las mayores potencias trabajando a altas presiones. En función de la posición de los pistones con respecto al eje podemos encontrar:

• Motores de pistones axiales: Los pistones van dispuestos en la dirección del eje del motor. El líquido entra por la base del pistón y lo obliga desplazarse hacia fuera. Como la cabeza del pistón tiene forma de rodillo y apoya sobre una superfice inclinada, la fuerza que ejerce sobre ella se descompone según la dirección normal y según la dirección tangencial a la superficie. Esta última componente la obligará a girar, y con ella solidariamente, el eje sobre la que va montada. Variando la inclinación de la placa o el basculamiento entre el eje de entrada y salida se puede variar la cilindrada y con ella el par y la potencia.

• Motor de pistones radiales: Los pistones van dispuestos perpendicularmente al eje del motor. El principio de funcionamiento es análogo al de los axiales pero aquí el par se consigue debido a la excentricidad, que hace que la componente transversal de la fuerza que el pistón ejerce sobre la carcasa sea distinta en dos posiciones diametralmente opuestas, dando lugar a una resultante no nula que origina el par de giro.

USOS

Los motores Hidráulicos se usan para variadas aplicaciones como en la transmisión de tornos y grúas, motores de ruedas para vehículos militares, tornos autopropulsados, propulsión de mezcladoras y agitadoras, laminadoras, trituradoras para coches, torres de perforación y zanjadoras. También en los últimos años se usan en atracciones para alcanzar grandes velocidades en poco tiempo.

3. MOTOR TERMICO

Un motor térmico es una máquina térmica que transforma calor en trabajo mecánico por medio del aprovechamiento del gradiente de temperatura entre una fuente de calor (foco caliente) y un sumidero de calor (foco frío). El calor se transfiere de la fuente al sumidero y, durante este proceso, algo del calor se convierte en trabajo por medio del aprovechamiento de las propiedades de un fluido de trabajo, usualmente un gas o el vapor de un líquido.

POSTULADOS DE LA TERMODINAMICA

1. Cualquiera que sea el procedimiento empleado para convertir el calor en trabajo o viceversa, existe una relación constante entre el trabajo desarrollado y el calor consumido, siempre que el estado final del sistema sea igual al inicial (ciclo termodinámico). El equivalente mecánico del calor es 427 kgm/kcal o en el sistema de normas internacionales ISO 4184 joule/1000 cal (cal=calorías), siendo un joule igual a 1 N x m ò Newton x metro (Newton en mayúscula por ser un nombre propio).

2. Una máquina térmica sólo puede efectuar trabajo si absorbe calor de un manantial a temperatura superior y lo cede en parte a otro a temperatura inferior. Es decir, el calor no puede transferirse espontáneamente de un cuerpo más frío a otro más caliente.

PRINCIPIOS BASICOS DE FUNCIONAMIENTO

En un motor térmico se producen una serie de transformaciones que conducen a un estado inicial (es decir, tiene un ciclo cerrado). En el transcurso de estas transformaciones, el motor recibe energía térmica en forma de calor y devuelve energía mecánica en forma de trabajo.

EFICIENCIA DE LOS MOTORES TÉRMICOS

La eficiencia de varios motores térmicos propuestos o usados hoy en día oscila entre el 3% (97% de calor desperdiciado) para los sistemas de conversión de energía térmica del océano, el 25% para la mayor parte de los motores de automóviles, el 35% para una planta generadora de carbón supercrítico, y el 60% para una turbina de gas de ciclo combinado con enfriamiento de vapor. Todos estos procesos obtienen su eficiencia (o la pierden) debido a la depresión de la temperatura a través de ellos. Por ejemplo, los sistemas de conversión de energía térmica del océano emplean una diferencia de temperatura entre el agua sobre la superficie y el agua en las profundidades del océano, es decir, una diferencia de tal vez 25 grados celsius, por lo que la eficiencia debe ser baja. Las turbinas de ciclo combinado utilizan quemadores de gas natural para calentar aire hasta cerca de 1530 grados celsius, es decir, una diferencia de hasta 1500 grados, por lo que la eficiencia puede ser mayor cuando se añade el ciclo de enfriamiento de vapor.

II. COMBUSTION

La combustión es una reacción química de oxidación, en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de energía, en forma de calor y luz,

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