Principio de Funcionamiento de Maquina Termicas:Calderas y Turbinas
Funcionamiento de Máquina Térmicas
MÁQUINAS TÉRMICAS.
Durante muchos siglos el hombre utilizó la energía térmica para calentarse, sin darse cuenta que ésta podría trabajar para él.
Pero este hecho ocurrió en época muy reciente, hace poco menos de 200 años.
La invención de las máquinas térmicas abrió nuevos horizontes, cambiando en pocos años la marcha de la civilización, y contribuyó eficazmente a la revolución industrial, que caracteriza a los siglos XVIII y XIX.
Los dispositivos destinados a transformar energía calorífica en energía mecánica se denominan máquinas térmicas, las cuales se pueden clasificar en dos tipos fundamentales: máquinas de vapor, que utilizan el vapor de agua producido por calentamiento, y motores de explosión, que funcionan gracias a la expansión de los gases producidos por la combustión de una mezcla explosiva.
► LAS PRIMERAS MAQUINAS DE VAPOR.
En 1712, el inglés Newcomen construyó un dispositivo que transformaba el calor en trabajo, y que guarda un cierto parecido con las máquinas de vapor utilizadas en la actualidad.
Estaba constituido por una caldera que mediante un tubo comunicaba con un cilindro vertical, cuyo pistón se unía al brazo de una palanca.
El vapor de la caldera empujaba el pistón hacia arriba, hasta alcanzar la posición superior; en este momento se proyectaba dentro del cilindro un chorro de agua fría, mediante una válvula accionada por la palanca.
De este modo, el vapor se enfriaba y condensaba creando un vacío en el interior del cilindro y en la caldera.
Entonces la presión de la atmósfera empujaba el pistón hacia abajo.
La máquina de Newcomen presentaba el inconveniente de que en cada carrera del pistón, el agua perdía la temperatura de ebullición, precisando recuperar ésta para que se repitiera el proceso.
Durante más de dos décadas este dispositivo se utilizó para bombear agua de las minas y de los pozos.
La utilización industrial de la máquina de vapor fue llevada a cabo por James Watt, ingeniero escocés, que modificó el dispositivo de Newcomen en el sentido de evitar las pérdidas de calor.
Para ello construyó un aparato que llevaba una cámara separada que aspiraba el vapor y donde se condensaba por medio de un sistema de refrigeración. De este modo consiguió disminuir el tiempo de subida y bajada del émbolo y ahorró gran cantidad de combustible, lo que representa una considerable economía.
Hay que notar que estas máquinas no utilizan la presión del vapor, sino que su funcionamiento está basado en el vacío que se origina al condensar el gas que permite actuar a la presión atmosférica y hace descender el émbolo y, por consiguiente, da el impulso necesario para la ascensión.
La necesidad de refrigerar el vapor lleva consigo la utilización de grandes cantidades de agua que hace a la máquina de vapor inaplicable a la tracción.
Unos años más tarde, el propio Watt ideó un dispositivo de doble efecto, y a partir de este momento la máquina de vapor fue utilizada para el transporte, construyéndose diversos tipos de vehículos y empleándose, también, para mover los barcos.
Para disminuir el riesgo que supone la elevada presión a que está sometido el vapor de la caldera, Watt ideó un dispositivo, llamado «regulador centrífugo», de cuyo fundamento nos hemos ocupado en páginas anteriores, para evitar posibles explosiones.
► LA MÁQUINA DE VAPOR ACTUAL.
Modernamente se utilizan dos tipos principales de generadores de vapor.
a) Caldera con tubos de humo, constituida por un haz de tubos de acero colocados en el interior de la caldera, a través de los cuales circulan los productos de la combustión procedentes del hogar.
b) Caldera con tubos de agua, que está provista de numerosos tubos por los que circula el agua de la caldera propiamente dicha, y que son lamidos superficialmente por las llamas y los gases calientes.
En el hogar se quema el combustible, que puede ser carbón, leña, aceites pesados, gas, etc.
Cuando se utiliza carbón o leña, el hogar está dividido en dos partes por una parrilla. En la superior están las llamas y en la inferior, o cenicero, se recogen las cenizas procedentes de la combustión.
El vapor producido en la caldera entra en una caja de distribución, provista de una corredera a la que una excéntrica da movimiento de vaivén.
Esta corredera distribuye alternativamente el vapor a ambos lados del émbolo, de modo que cuando el vapor penetra por la cara derecha empuja el émbolo hacia la izquierda, mientras el vapor contenido en el otro lado del émbolo escapa por un canal de la izquierda a través de la corredera.
De este modo se origina el movimiento de vaivén del émbolo que por medio de un sistema de biela y manivela se transmite a la rueda.
Para obtener un mayor aprovechamiento de la energía calorífica se han ideado asociaciones de cilindros, como en las máquinas tándem o en serie, constituidas por dos cilindros que actúan sobre el mismo eje, o las máquinas compound o en paralelo, en las que los cilindros forman ángulo recto, y mediante unas manivelas actúan sobre un mismo eje.
La asociación también puede ser de más de dos cilindros.
Muchas veces el vapor pasa de un cilindro a otro, cuyos diámetros son cada vez mayores, con lo que se producen varias expansiones, por lo que se habla de doble, triple y múltiple expansión.
► TURBINAS.
Mientras la máquina de vapor es un dispositivo de presión, la turbina es una máquina basada en el flujo del vapor. Obtiene la energía a partir de pequeñas fuerzas que trabajan a gran velocidad.
La constitución de la turbina de vapor es semejante a la hidráulica, de la que nos hemos ocupado anteriormente.
El rodete recibe sobre sus paletas un chorro de vapor a presión dirigido por unos tubos llamados «toberas».
El vapor penetra en la turbina y hace girar los discos, luego pasa a baja presión a una segunda cámara donde imprime movimiento a otros discos.
A continuación entra en un condensador, donde por medio de un serpentín refrigerado se licúa, para volver de nuevo a la caldera y repetir el proceso.
El rendimiento es mucho mayor que en las máquinas de vapor antes descritas, llamadas de , pistón, por lo que cada día son más utilizadas las turbinas, sobre todo cuando se trata de obtener grandes potencias, como en las locomotoras, barcos, centrales termoeléctricas, etc.
La potencia de las turbinas empleadas en los barcos es muy grande.
Para el buque «Queen Mary» se construyó una de 200.000 CV.
Los barcos de guerra también van provistos de turbinas que les permiten desarrollar grandes velocidades y tienen la ventaja de ocupar un espacio reducido.
La desventaja de este sistema de propulsión es que la turbina no puede girar en sentido contrario, por lo que la nave debe llevar una turbina auxiliar para la marcha atrás.
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