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Máquinas de vapor.
Las máquinas de vapor son ingenios mecánicos que entregan
energía mecánica en un eje en movimiento de
rotación a
expensas de la energía contenida en vapor de agua a alta
presión y temperatura.
Las máquinas de vapor pueden clasificarse en:
- Máquinas de émbolo
- Turbinas
Máquinas de émbolo
Las primeras máquinas de vapor se desarrollaron utilizando un
émbolo o pistón acoplado a un mecanismo del tipo pistón-biela
cigüeñal al que se le aplicaba el vapor a
alta presión y temperatura sincronizado con un juego de
válvulas para lograr el movimiento.
Figura 1
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El esquema de la izquierda
(figura 1)
representa una máquina elemental de vapor a émbolo, de
doble efecto.
Los vapores a alta presión y temperatura procedentes de un
generador de vapor tal como una caldera, se introducen a una
cámara donde hay una válvula de control. Esta
válvula de control es accionada de manera sincronizada por un
mecanismo acoplado al cigüeñal de la máquina. El
movimiento de desplazamiento de la válvula de control, hace que
la cámara de entrada, donde está el vapor de suministro,
se comunique de forma alternada, a la parte superior o inferior del
émbolo empujándolo en ambas direcciones para hacer rotar
el cigüeñal. Al mismo tiempo esta válvula de control
establece la comunicación del lado opuesto del émbolo, al
conducto de salida para dejar escapar los vapores fríos y a baja
presión inútiles ya, para entregar energía.
Esta máquina elemental es muy ineficiente porque los vapores que se
vierten al exterior están aun calientes y a
suficiente presión como para realizar mas trabajo útil.
Para resolver este asunto se utilizan las máquinas de varias
etapas, donde el vapor de desecho de una etapa se introduce en otra con
un émbolo mas grande para aprovechar mas aun la energía
que contiene, el esquema que sigue (figura 2) representa una máquina de
vapor de émbolo de tres etapas. |
Figura 2
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Obsérvese que el
vapor de una etapa se introduce en la que sigue para accionar un
pistón cada vez mas grande, de esta forma la energía del
vapor final de salida, se ha aprovechado al máximo.
Este incremento del tamaño del émbolo es necesario para
que cada etapa de la máquina de vapor, pueda entregar
aproximadamente la misma fuerza de accionamiento, teniendo en cuenta
que cada vez el vapor tiene menos presión, y la fuerza de empuje
es el producto de la presión, por el área del
pistón.
Observe también el funcionamiento de la válvula de
control en la comunicación del vapor a las partes de trabajo de
la máquina.
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Turbinas
Las viejas máquinas de vapor han ido dando paso a las turbinas
por su durabilidad, seguridad, relativa simplicidad y mayor eficiencia.
En la turbina, un chorro de vapor de agua a elevada presión y
temperatura, se hace incidir de manera adecuada sobre una hélice
con álabes de sección apropiada. Durante el paso
del vapor entre los álabes de la hélice, este se
expande y enfría entregando la energía y empujando
los álabes para hacer girar la hélice colocada sobre el
eje de salida de la turbina.
Figura 3
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El dibujo de la izquierda
(figura 3)
representa de manera esquemática como funciona la turbina. El
chorro de vapor de entrada se dirige a través de un conducto
para que incida sobre los álabes en el ángulo mas
adecuado.
En una turbina pueden haber varios conductos directores de flujo.
Abajo están representados dos álabes contiguos y el flujo
del vapor pasando entre ellos. Mientras pasa por los álabes, el
vapor produce un empuje que hace girar la hélice, durante este
proceso pierde energía por lo que se enfría y baja su
presión.
Al igual que en el caso de la máquina a émbolos el vapor
de salida de la hélice de la turbina, aun posee energía
suficiente para entregar trabajo, por lo que una turbina real tiene
múltiples etapas, con hélices cada vez de mayor
tamaño donde se extrae esa energía sobrante y así
aumentar notablemente el rendimiento.
El dibujo a continuación (figura 4) representa una turbina de varias
etapas:
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