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• Juañiño Alfredo Romero

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Objetivos. A. Conocimiento del motor de vapor como una maquina térmica susceptible de un estudio termodinámico, tanto en su comportamiento teórico como en las condicionas reales de operación. B. Análisis de un sistemas termodinámico donde opera un motor de vapor como un elemento de trasformación de energía y desarrollo de trabajo. C. Balance térmico y estudio del ciclo Rankine de la planta de vapor considerándolo como un sistema termodinámico. D. Construcción de la curva característica del la plata de vapor (Línea de Williams). Investigación. Generalidades de los motores de vapor. Los motores de vapor o maquinas de vapor, son maquinas de combustión externa, esto quiere decir que la quema de un combustible sobre un fluido de trabajo que para este caso será agua evaporada no se realiza dentro del mismo equipo sino que son previamente procesados en otro esquipo como en este caso una caldera o un generador de vapor. Esta máquina tiene por objetivo trasformar la energía térmica, contenida en el vapor de agua, en energía mecánica que sea capaz de realizar un trabajo a otra máquina o bien a un generador de electricidad. En esencia el ciclo de trabajo de las maquinas de vapor se realiza en dos etapas: 1) Se genera el vapor de agua en el interior de una caldera para que funcione como fluido de trabajo dentro del motor de vapor, al entrar al cilindro, dicho vapor produce la expansión del volumen empujando un pistón a lo largo de la carrera. Mediante un mecanismo de biela manivela, el movimiento lineal que se le da al pistón dentro del cilindro se trasforma en un movimiento de rotación que acciona algún tipo de maquina y/o equipo, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o un generador eléctrico. Una vez alcanzado el fin de la carrera el embolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua con ayuda de la energía cinética contenida en un volante de inercia.

2) El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la carga del vapor introducida o expulsa por el cilindro al terminar cada ciclo de la maquina.

Este motor de vapor que movía un pistón fue desarrollado por Thomas Newcomen a principios del siglo XVIII en Inglaterra, pero fue años mas tarde cuando James Watt mejoro su diseño aprovechando las pérdidas de calor, lo cual hizo más económica esta máquina con lo que tuvo un gran impacto y comenzó a ser extensamente utilizada durante la Revolución Industrial, en cuyo desarrollo tuvo un papel relevante ya que se podían mover maquinas y diversos aparatos como bombas, locomotoras, motores marinos entre otros.

Esquema de la maquina construida por Thomas Newcomen Principio de operación. Los motores de vapor consisten generalmente en un cilindro con un embolo, este embolo es movido por la energía contenida en el vapor de agua, esta energía cedida por el vapor al expandirse dentro del cilindro hace adquirir al embolo un movimiento rectilíneo alternativo, una varilla conocida como biela comunica al embolo directa o indirectamente con un eje al cual se le imprimirá un movimiento de rotación. Las maquinas de vapor pueden ser a simple o doble efecto:

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Simple efecto: se llaman de simple efecto a aquellas en las cuales el vapor obra solamente para hacer en un sentido el movimiento de un embolo, en cuyo caso la inercia contenida en el volante de masa hará que el embolo pueda regresar a su posición inicial para volver a hacer un ciclo, también llamado revolución.

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Doble efecto: se llama de doble efecto a aquellas en la cuales el vapor obra por ambas caras del embolo provocándoles un desplazamiento en los dos sentidos. Estas de doble efecto son las más usadas y las únicas que se empleaban en la industria.

Durante los recorridos de las carreras cuando el pistón completa un ciclo se dan los procesos mostrados a continuación, considerando un análisis del ciclo ideal. 

Proceso de admisión 1-2: En este proceso se abre la válvula de admisión permitiendo la entrada del vapor proveniente de el generador de vapor al cilindro. En el proceso de admisión se da un aumento del volumen a presión constante.

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Proceso de expansión 2-3: En este proceso se mantienen cerradas todas las válvulas y se da la expansión del vapor dentro del cilindro, desarrollando un trabajo que será utilizado. Este proceso se considera isentrópico y se da una caída de presión de la presión más alta del generador de vapor a la presión más baja que es la presión de escape del cilindro.

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Proceso de expulsión 3-4: En este proceso se abre la válvula de escape y se deja salir el vapor de agua, al inicio de este proceso cambia la dirección del movimiento del pistón, lo cual es considerado un proceso isobárico en el cual comienza a disminuir el volumen dentro del cilindro generando la salida del vapor.

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Proceso de compresión 4-1: Este proceso de nuevo cierra todas las válvulas y se da una compresión del vapor residual que queda en la cámara, se considera un proceso isentrópico donde la presión aumenta de la presión de escape a la presión de admisión, durante este proceso toma importancia el volante de inercia que es el cual “regresa” energía permitiendo esta compresión y dejando listo al ciclo para que de nuevo comience

Diagrama de los procesos ideales llevados a cabo en un motor de vapor. Sistemas que conforman un motor de vapor. Las maquinas de vapor por su gran antigüedad no disponían de sistemas muy complejos, sin embargo si eran necesarios algunos sistemas y partes que permitieran su funcionamiento. 

Generador de vapor o caldera: Como ya vimos este sistema es parte básica para todos las maquinas térmicas que utilizan vapor como fluido de trabajo. Para la puesta en marcha de la máquina de vapor, generalmente se calentaba el agua y se trasformaba en vapor con ayuda de un recipiente que contenía el agua y al cual se le suministraba energía por medio de la quema de un combustible que normalmente era carbón. Estos generadores de vapor no son muy complejos ya que las maquinas no utilizaban presiones tan altas como las actuales turbinas, por lo cual su fabricación es más sencilla y menos costosa.

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Sistema cilindro embolo: Como ya vimos esta es la parte fundamental de la máquina de vapor, aquí es donde se lleva a cabo la expansión del vapor y el desplazamiento del embolo a lo largo de la carrera, la carrera es la distancia longitudinal que recorre el embolo y determina el punto muerto superior PMS y el punto muerto inferior PMI, que es cuando el volumen delimitado por el cilindro y el embolo es el mínimo y el máximo respectivamente. El diámetro del cilindro dependerá de la cantidad de potencia que se requiera que entregue la maquina y las presiones a las cuales trabajara el vapor en ella. La velocidad a la que debe avanzar el embolo dentro del

cilindro en lo general para todo tipo de maquinas de vapor es alrededor de un metro por segundo, en ocasiones esta velocidad puede ser menor solo para aquellas maquinas cuya potencia no supere los doce caballos de fuerza. Para el diseño tanto de los diámetros así como de las longitudes de las carreras del cilindro existen tablas donde se tienen parámetros como las presiones , las velocidades de embolo y los caballos a producir para determinar las medidas más adecuadas de la maquina. 

Sistema biela manivela: Este sistema es una de las partes más importantes de una máquina de vapor. Este sistema tiene funciona a través del movimiento reciprocante del pistón que se encuentra dentro del cilindro. La biela se encuentra conectada a la base del pistón lo que hace que esta tenga su movimiento, por su parte la función de la manivela no es un vástago sencillo que solo gira, sino que existe una masa , conocido como cigüeñal, al cual se conecta el otro extremo de la biela, y en cuyo centro se encuentra una flecha que es la que recibe el momento angular equivalente de la manivela

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Sistema de condensación: Para hacer más eficiente el funcionamiento de la máquina de vapor o cuando no es fácil conseguir el agua para general el vapor, se utiliza un intercambiador de calor que condensara el agua y la volverá a introducir a la caldera o al recipiente donde se genera el vapor para que vuelva a ser utilizada en el ciclo. En los casos en los cuales la presión del condensador será inferior a la atmosférica será necesario disponer de una bomba que aumente la presión del condensado a una presión superior para que el liquido pueda ser enviado a un contenedor donde estará a la espera de ser alimentado a la caldera para su evaporación.



Sistema de lubricación: Como los componentes de las maquinas de vapor son puramente mecánicos, se debía mantener bien lubricadas todas las piezas, desde las juntas de las bielas y la manivelas, los volantes de inercial, las válvulas y el cilindro mismo entre otros elementos. Al ser maquinas muy antiguas la lubricación se daba por gravedad, esto quiere decir que se ponía un pequeño recipiente en la zona que necesitara dicha lubricación y así poco a poco se iba disponiendo de la cantidad necesaria.

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Sistemas de válvulas: Este sistema es muy importante ya que de las válvulas depende la cantidad de vapor que será utilizado para la expansión dentro del cilindro y también servían para la expulsión del vapor que ya había cedido su energía. Este sistema de válvulas era completamente mecánico, e encontraba comúnmente conectado al volante de inercia y operaban a cada ciclo que se tuviera en el pistón, se tenia válvulas para la admisión y válvulas para la expulsión. La cantidad de válvulas dependía del tipo de máquina de vapor, siendo mayor este número cuando eran de doble efecto.

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Volante de inercial: Este volante era necesario ya que la entrega de trabajo por parte del cilindro no es constante ya que se tiene carreras o puntos donde el cilindro no recibe un impulso, por lo tanto y en especial para las maquinas de vapor de simple efecto se requería tener una energía que ayudara a hacer una carrera contraria a la de expansión para así poder expulsar el vapor de baja energía y continuar operando con el ciclo. Este volante de inercia por lo general es una rueda muy grande que se mantiene girando conservando una energía cinética que disminuye para la carreras de expulsión y aumenta cuando de nuevo el embolo puede entregar un trabajo.

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Mecanismo de regulación de velocidad: La regulación de la velocidad se da mediante la regulación del flujo introducido al cilindro de la máquina de vapor, ya que estos dos parámetros, velocidad u flujo, están íntimamente relacionados uno con otro. Mientras mayor sea la carga de vapor , la máquina de vapor podrá realizar ciclos de manera más rápida, permitiendo así la entrada de mayor vapor mediante las válvulas. Este dispositivo de regulación se encuentra conectado al cigüeñal por medio de flecas con engranes o bien bandas, que al aumentar la velocidad del motor de vapor acciona un vástago obre la válvula de control, logrando estrangular el flujo conllevando una reducción en el gasto de vapor, evitando así que la maquina se deboque o se dañe. También ocurre lo contrario si de repente la velocidad disminuye, la válvula se abre permitiendo mayor acceso de vapor para impedir que la maquina se pare. Como se puede apreciar es un equipo que sirve para regular y mantener una velocidad constante, mas no para variar la cargas de trabajo de el motor y sus velocidades.

Esquema de una máquina de vapor donde se observa sus componentes.

Clasificaciones de los motores de vapor. Las maquinas de vapor así como las calderas se clasifican según la presión a la que en ellas trabaja el vapor. Son de baja presión aquellas donde la presión del vapor no llega a dos atmosferas; son de media presión si la presión del vapor introducido alcanza un rango entre dos y cuatro atmosferas ; y se llaman de alta presión si la presión alcanzada en un punto supera cuatro veces la presión atmosférica. Cuando el vapor aplica toda su fuerza durante cada carrera recorrida por el embolo, ejerce su acción sobre el embolo con una presión sensiblemente igual y constante, el aparato se podrá denominar como maquina sin expansión; pero si el vapor es producido en la caldera con una tensión suficiente, se podrá hacer que trabaje con toda su fuerza durante una parte de la carrera y luego cortar la comunicación de los equipos, caldera y cilindro, el vapor introducido todavía continuara trabajando sobre el embolo en virtud de su fuerza expansiva denominando a la maquina como maquina con expansión. Dependiendo de la maquina el vapor de agua se puede dejar escapar a la atmosfera después de realizar su trabajo en el embolo, o bien se le puede introducir en un condensador. Las maquinas que tienen un intercambiador de calor para condensar el vapor de salida se llaman maquinas con condensación, mientras las maquinas que dejan escapar el vapor a la atmosfera se llamaran maquinas sin condensación. El uso del condensador es muy común en las

maquinas que operan a bajas presiones ya que si se dejara escapar a la atmosfera el embolo encontraría resistencia de la presión atmosférica en el sentido contrario, mientras que las maquinas a alta presión pueden liberar el vapor a la atmosfera fácilmente. Las maquinas de vapor generalmente utilizadas pueden clasificarse como se muestra a continuación: 

Maquinas de Watt de un cilindro, de baja presión, con condensación y sin expansión: Estas máquina de vapor trabajan a presiones entre 1 y 1.25 atmosferas, por lo cual al manejar bajas presiones tiene poca o nula probabilidad de explotar. Estas eran empleadas regularmente en buques, en los cuales en ocasiones se llega producir vapor a menos de una atmosfera. Su utilización era empleada solo en localidades donde se disponía de grandes cantidades de agua pues la necesitaban para producir el vapor y para mantener un flujo contaste de agua fría para la condensación. Su conservación es fácil y poco dispendiosa asi como tiene de ventaja una marcha regular y uniforme. Su consumo de combustible es bajo llegando a ser de 5 a 6 Kg de combustible por hora por cada caballo de fuerza , mientras el consumo de agua para producción y condensación de vapor puede llegar a ser de alrededor de 1 metro cubico de agua por hora por cada caballo de fuerza.

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Maquina de media presión de Woolf. En esta máquina de vapor se encuentran dos cilindros de la misma carrera pero de diferente diámetro. El vapor trabaja con toda su fuerza en el cilindro menor y luego es pasado al cilindro de mayor volumen en el cual conservando la misma temperatura ocupa mucho mayor volumen, lo cual constituye la verdadera expansión. Estas maquinas de vapor consumen 3 Kg de combustible por hora por caballo de fuerza y necesitan alrededor de 310 litros de agua en el mismo lapso de tiempo para producir los mismos caballos. En estas maquinas se puede observar una ventaja sobre las de Watt, tanto en gasto de agua como en gasto de combustible, pero su desventaja radica en que su construcción es más complejas aunado a que suelen tener desperfectos con mayor frecuencia y exigen mucho más cuidado, resultando mas dispendiosa su conservación y operación.



Maquinas de alta presión sin condensación y con expansión de un solo cilindro: En estas maquinas que son empleadas con mucha frecuencia en los grandes establecimientos fabriles, el vapor de agua trabaja con toda su fuerza durante obre el embolo durante una parte de la carrera y lo restante

de la carrera ejerce un trabajo en virtud de la expansión que tiene dentro del sistema cilindro embolo. La cantidad de combustible requerido por esta máquina de vapor es alrededor de 4 a 5 kilogramos por hora por caballo, y el gasto de vapor consiste únicamente en la cantidad necesaria para la producción del vapor y la cantidades de ciclos a las cuales quiera operarse la maquina. En este caso una vez que el vapor ha realizado su trabajo en el cilindro y cedido su energía, la válvula de salida se abre dejándolo salir libremente a la atmosfera. 

Maquinas de alta presión sin expansión ni condensación: Estas maquinas son común mente utilizadas en la industria locomotiva, esto debido a su sencillez de construcción y el reducido espacio que ocupan respecto a las demás. En estas maquinas el vapor obra con toda su fuerza sobre el embolo a lo largo de toda la carrera para luego ser liberado a la atmosfera, lo cual produce en sentido contrario una resistencia igual a la presión atmosférica. De modo que si el vapor producido para su ingreso a la maquina tiene una presión de siete atmosferas solo podrán ser útiles 6 en el cilindro. El agua que requieren estas maquinas es solo el necesario para la alimentación y depende de la velocidad requerida en los ciclos, el gasto de combustible de esta máquina es mayor al de las demás debido a que maneja las presiones más grandes, siendo requerido alrededor de 6 a 7 kilogramos por hora por caballo de fuerza producido.

Aplicaciones de las maquinas de vapor. En la actualidad las maquinas de vapor no soy muy utilizadas ya que su tecnología es muy obsoleta, principalmente para procesos industriales de generación de energía las maquinas de vapor han sido ampliamente y totalmente desplazadas, esto es por los grandes avances tecnológicos que se han desarrollado hasta nuestros días, llevándonos a utilizar turbinas de vapor que tiene mucho mayores capacidades de producción y mayores eficiencias. Aun así su auge fue muy grande durante la revolución industrial donde este tipo de maquinas se utilizaba ampliamente en todos los ramos de la industria y el trasporte. Las maquinas de vapor eran utilizadas para aparatos como bombas, locomotoras, motores de barcos y después para la generación de energía eléctrica. También su importancia radico en que comparando una máquina y un humano, la máquina no se cansa como el humano, no necesita dormir por las noches y no cobra un sueldo, por lo que el trabajo y la producción aumentó de una forma

drástica mientras que se abarataban los costes por mano de obra, con lo que el producto final era más barato. Por esto fue que gracia a la máquina de vapor se vino una revolución industrial en el siglo XVIII. Las aplicaciones más importantes considere se dieron en el ramo del trasporte con la locomotora de vapor y el barco de vapor, que ayudaron a las sociedades a mantearse comunicada por largas distancias y permitió también un desarrollo en el comercio. Una locomotora de vapor es una máquina que gracias a la combustión de elementos como el carbón o fueloil hace hervir el agua produciendo así una presión tan alta que es capaz de mover pistones, y estos a su vez a unas bielas que hacen mover las ruedas sobre los rieles, con esto, da tracción a los trenes, siendo esta una parte fundamental. Esta locomotora representó una gran ventaja ya que se podía disponer de un gran torque capaz de poder mover toneladas y asi transportar tanto personas como mercancías. También se dio una adaptación de la máquina de vapor a un pequeño barco, en este barco el motor estaba conectado a unas ruedas con paletas las cuales podrían propulsar el barco sobre el agua. Con el tiempo se fueron desarrollando estos trasporte hasta llegar a una máquina de vapor aplicada a una transmisión con hélices, marcando lo que sería el futuro de la industria naval hasta hoy en nuestros días.

Esquema de un motor de vapor montado sobre una locomotora.

Desarrollo de la practica. Para la práctica se utilizó un motor de vapor muy compacto, el objetivo de la practica era poder determinar las eficiencias de este ciclo. Para las mediciones se necesitaron un termómetro y una probeta para poder medir el agua de enfriamiento utilizado en el condensador. Para evaporar el agua se utilizaba un generador de vapor de resistencias eléctricas con lo cual teníamos que mantener una determinada presión prendiendo y apagando este equipo mientras se le aplicaba la carga del freno al motor, para todas las 5 mediciones se mantuvo el motor girando a 1200 revoluciones y a cada una se mediría la diferencia de fuerzas medidas por el freno. Para poder mantener las revoluciones ante los aumentos de carga en el freno lo que se hacía era abrir una válvula que permitía un mayor flujo másico de vapor Para la medición del flujo másico del condensado al final del condensador se dejaba una probeta por lapsos de treinta segundos, y se registraba la cantidad de ml que ingresaban. También al final de las 5 pruebas se tomo la temperatura del condensado la cual dio de 50°C, al ser la única medición se tomara esta para la realización de los cinco cálculos Toma de datos. Evento

F1-F2 [N]

V cond [ml]

tiempo [s]

1

3

30

30

2

5

31

30

3

7

38

30

4

10

42

30

5

12

48

30

10

Tiempo [s]

63.34

97

P atm [Mpa]

0.078

Volumen [l]

1

Tiempo [s]

19.07

T entrada [°C]

18

T. Salida [°C]

33

Energía suministrada Vueltas wattorimetro Calidad vapor de agua T calorímetro [°C] Gasto agua enfriamiento

Condensado T salida [°C]

50

Resultados. Pot. Freno

Calores

w freno 1 [w] 21.4158239

Q1 [W]

5683.61225

w freno 2 [w] 35.6930399

Q2 [W]

2380.15305

w freno 3 [w] 49.9702558 w freno 4 [w] 71.3860797

Q3+Q4 [W] 563.138517 Q5[W]

3292.60619

w freno 5 [w] 85.6632957 Entalpias Eficiencias

h1 [kj/kg]

2672.68

η térmica %

1. 697761

h3 [kj/kg]

209.3

η caldera %

58.122529

hw [kj/kg]

608.018

Linea de Williams M [g/s] 1.6 1.4 1.2 1

Linea Real

0.8

Linea de Williams

0.6 0.4 0.2 0 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90

Potencia [w]

En la linea de Williams nos percatamos que la carga mínima para el funcionamiento del motor es 0.7574 g/s de vapor de agua lo que nos deja ver que la potencia de rozamiento es muy grande, siento casi la mitad del total de potencia desarrollado.

Conclusiones. Durante esta práctica pudimos conocer de cerca y analizar el funcionamiento de una máquina de vapor, en las sesiones se nos mostro una maquina vapor muy grande pero la práctica se realizo en un pequeño motor de vapor. Con esto se pudo ver teóricamente su funcionamiento y los procesos que se llevan a cabo para la trasformación de la energía procedente de el vapor de agua. Haciendo un análisis termodinámico conocimos los diversos estados en los cuales se encuentra el vapor a lo largo del ciclo. Realizando los cálculos nos damos cuenta que la eficiencia de estos equipos es realmente baja , alrededor del 2%. Si bien considero que el desarrollo de la practica y la toma de datos no es la correcta ya que se deben tomar todas las mediciones para cada evento y no solo una y generalizarla para todos los eventos, nos podemos dar una idea de por qué es tan deficiente este ciclo y por lo mismo porque en la actualidad es prácticamente inutilizable, dando paso a los sistemas con turbinas. Es fácil visualizar esto en la línea de Williams ya que prácticamente la mitad de la potencia desarrollada se utiliza en la potencia de rozamiento lo cual habla de un motor altamente deficiente, aunado también a la eficiencia de alrededor del 50% del generador de vapor y las pérdidas en los procesos lo que nos resulta en una eficiencia global muy baja. Bibliografía. Juan Rosich, Maquinas de Vapor. http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_vapor http://www.buenastareas.com/ensayos/Motores-De-Vapor/1619360.html