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1. MARCO TEORICO Una de las grandes diferencias entre la era contemporánea y épocas pasadas, sin duda estriba en las máquinas impulsadas por la energía producida por combustibles. Convertir el calor en movimiento fue lo que permitió la aparición de mecanismos de enorme fuerza, que cambiaron tanto la forma de recorrer distancias, como la manera de organizar y producir el trabajo. Y el primero de estos mecanismos fue la máquina de vapor. Explicado de manera simple una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica. En esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas: • Se genera vapor de agua en una caldera cerrada por calentamiento, lo cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón. Mediante un mecanismo de biela - manivela, el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante de inercia. • El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro. 1.1 PRIMEROS DISEÑOS El primer aparato que utilizaba la energía del vapor para moverse, fue el “aeolipile”, un juguete creado por Herón de Alejandría en el siglo I. También hay constancia de algunas aplicaciones de la fuerza del vapor en mundo antiguo y clásico, pero sin uso práctico, más allá del fomento de la superstición. Sus economías basadas en el esclavismo hacían que las investigaciones tecnológicas carecieran de utilidad. Durante el medioevo, por otra parte, la ciencia y la investigación cayeron en una oscuridad de siglos. Por ello, no fue hasta finales del siglo XVII cuando el inglés Thomas Savery dio al vapor su primera utilización práctica: bombas de vapor para extraer agua de las minas. El agua era extraída por una tubería hacia un recipiente donde se había creado el vacío, mediante condensación por enfriamiento. Sin embargo, eran unos artilugios muy peligrosos, por su alto riesgo de explosión.

Ilustración 1: Motor de Vapor Lenoir Fuente: http://www.museudantu.org.br/

1.2

INDUSTRIA Y TRANSPORTE, REVOLUCIONADOS

El primer tren de carga accionado mediante vapor funcionó en 1804, y el de pasajeros en 1808, ambos diseñados por Richard Trevithick, cuyo éxito condujo a la construcción de otros vehículos de vapor. Pero fue George Stephenson quien construyó la primera locomotora ferroviaria utilizable, cuando en 1825 creó la línea regular entre Darlignton y el puerto de Stockton. El tren pronto revolucionó el transporte de largo recorrido. El primer buque de vapor, accionado por ruedas, fue el Clermont, diseñado por el estadounidense Robert Fulton, quien navegó con él por el río Hudson en 1807. En 1819, el buque Savannah cruzó el Atlántico, pero no se instituyó un servicio trasatlántico regular, mediante barcos de vapor, hasta 1840. Por su parte, en la industria textil, los telares, que a lo largo de todo el siglo XVIII se vieron alterados por continuas innovaciones, incluyeron el vapor en su funcionamiento en 1785. Fue en este año cuando Edmund Cartwright patentó el telar mecánico, donde los movimientos de manos y pies se sustituían por el bamboleo producido por una máquina de vapor. El invento provocó disturbios entre los obreros que vieron desplazados sus puestos por máquinas –por vez primera -, pero a principios del siglo XIX, prácticamente toda la industria textil funcionaba a vapor.

1.3 FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE LA MÁQUINA DE VAPOR

Explicado de forma simplificada, lo que se entiende en la actualidad por máquina de vapor consiste en un cilindro hueco, con un émbolo o pistón que se desliza en su interior. Cuando el vapor de agua se introduce en el cilindro, hace elevar el pistón gracias a la presión que produce al expandirse. Este movimiento del pistón se transmite

a través de un cigüeñal o de un eje, comunicándose con un brazo o con una rueda, que efectúan el trabajo mecánico. El vapor se origina mediante agua calentada por leña o carbón en una caldera, y utiliza dos válvulas: una para extraer el vapor del cilindro y devolver el pistón a su posición original, y otra para volver a introducir vapor, y recomenzar el ciclo de trabajo. Además, para recuperar el vapor que sale del cilindro, se utiliza un condensador, en forma de serpentín refrigerado, que lo vuelve a introducir en la caldera una vez condensado de nuevo en forma de agua.

Ilustración 2: Funcionamiento motor a vapor Fuente: motoravap.blogspot.com

1.4 CICLO ABIERTO: Este fue el primer ciclo de vapor a utilizarse en forma amplia. Corresponde a las típicas máquinas de vapor de ciclo abierto (locomotoras, locomóviles y muchas máquinas estacionarias en los inicios de la revolución industrial). Pasemos a analizarlo en diagramas y en bloques.

1.4.1-Esquema bloques de ciclo de vapor abierto

El ciclo opera de la siguiente forma: un depósito contiene agua para la caldera(1). La bomba toma el agua del depósito y la inyecta a la caldera (2) (aumentando su presión desde la presión atmosférica hasta la presión de la caldera). En la caldera (donde se le entrega el calor Q), el agua ebulle, formando vapor. El vapor se extrae de la caldera en la parte superior (3). Por gravedad, solo tiende a salir vapor saturado, por lo tanto sale de la caldera con título muy cercano a x=1.. Luego el vapor (a presión) es conducido al motor donde de expande, produciendo el trabajo W. El motor descarga el vapor utilizado al ambiente que está a 1 atm. Por lo tanto el vapor condensa a 100ºC.

1.4.2-Diagrama p-V de ciclo de vapor abierto

En diagrama p-V, el ciclo se describe como sigue (los puntos termodinámicos están indicados con pequeñas cruces, cerca del número correspondiente): En (1) el agua del depósito es líquido subsaturado. La bomba aumenta su presión hasta es estado (2). Como lo que se comprime es solo líquido, el volumen de (2) es ligeramente inferior al de (1). Luego esta agua a presión se inyecta en la caldera. Allí alcanza primero el estado de saturación (intersección de línea 2-3 con campana de cambio de fase) y luego comienza la ebullición dentro de la caldera. Este proceso es a temperatura y presión constante. El vapor sale de la caldera en el estado (3), como vapor saturado (en teoría, realmente siempre tiene un título ligeramente inferior a x=1). Luego se expande en la máquina (motor) generando trabajo y es expulsado a la atmósfera. Por lo tanto la máquina opera entre la presión pcald y patm, las que tienen asociadas la temperatura de ebullición del vapor en la caldera y la temperatura de condensación del agua en la atmósfera (100ºC)

1.4.3 Diagrama T-S de ciclo de vapor abierto

En diagrama T-S el ciclo abierto se describe como sigue: El agua está inicialmente a Tamb y en estado líquido (1), luego la bomba lo comprime hasta el estado (2). En teoría esta compresión es isentrópica, en realidad la entropía aumenta un poco. En todo caso, los estados (1) y (2) están muy cercas (la temperatura apenas sube). Al inyectarse el agua a presión a la caldera, la entropía aumenta fuertemente, pues este es un proceso irreversible. Luego comienza la ebullición del agua en la caldera (desde la intersección con la campana de cambio de fase hasta el estado 3). En (3) el vapor se expande en el motor, generando el trabajo W. Esta expansión en teoría es identrópica. El vapor descarga en el estado (4), el que corresponde a la presión ambiente y temperatura de 100ºC. Luego este vapor condensa en la atmósfera a 100ºC y luego se sigue enfriando hasta el estado inicial.

1.4.4 Diagrama T-S de ciclo de vapor abierto, incluyendo ciclo de Carnot correspondiente

Para efectos de comparación, el diagrama anterior lo inscribimos en su Ciclo de Carnot Correspondiente (las dos isotérmicas y dos isentrópicas que lo inscriben). Este ciclo tiene como temperatura inferior (de fuente fría) la temperatura ambiente y como superior (de fuente caliente) la de la caldera (Tmax). Las áreas en verde indican la pérdida que hay con respecto al potencial, la cual es muy elevada. Es por esto que los ciclos abiertos fueron rápidamente reemplazados con ciclos con condensador (o ciclo de Rankine), pues el rendimiento es muy superior. Se limitaron a máquinas móviles (locomotoras o locomóviles), donde no es práctico instalar un condensador. Incluso en los barcos a vapor se tenía condensador, pues el agua de mar era excelente medio para enfriarlo.