Máquina y Turbina de Vapor. Motores.

MÁQUINA DE VAPOR

En la segunda mitad del siglo XVIII la Máquina de Vapor marcó una nueva época. La invención entre 1768 y 1782 se atribuye a James Watt. Grandes progresos siguieron en la industria, la agricultura y los transportes. 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.

Los sistemas domésticos de calefacción cuentan con una caldera de este tipo, pero las plantas de generación de energía utilizan sistemas de diseño más complejo que cuentan con varios dispositivos auxiliares. La eficiencia de los motores de vapor es baja por lo general, lo que hace que en la mayoría de las aplicaciones de generación de energía se utilicen turbinas de vapor en lugar de máquinas de vapor.

Las máquinas de vapor de la empresa alemana Wilesco http://www.wilesco.de/ transforman el calor en energía mecánica que puede ser utilizada para accionar distintas máquinas. Contrariamente a los motores de gasolina o eléctricos, se puede visualizar cada etapa de transformación de la energía, lo cual conlleva un efecto de aprendizaje importante.

La gama de máquinas de vapor estacionarias puede verse en la siguiente imagen. Los principios de funcionamiento son similares pero cada uno tiene sus propias características específicas, lo cual amplía el contenido educativo de dichas máquinas. Se utilizan como combustible pastillas sólidas. Una ficha técnica es por ejemplo la D20. En algunos modelos existe la alternativa de calentar el agua mediante energía eléctrica evitando, por lo tanto, la presencia de llama.

Con las máquinas de vapor se pueden simular talleres y mover múltiples máquinas, modelos y oficios que se observan a continuación Por otro lado las máquinas de vapor móviles abarcan una amplia gama de vehículos, coches, camiones y locomotoras, cada uno con sus propios mecanismos de funcionamiento, con distintos elementos, y realizados en distintos materiales y acabados. Algunos de ellos se disponen de la posibilidad de control remoto. Véase el manual Assembly and Operating Instructions para algunos modelos.

TURBINA DE VAPOR

Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no son ya de émbolo o desplazamiento positivo como las descritas, sino que son turbomáquinas; es decir, son atravesadas por un flujo continuo de vapor y reciben la denominación genérica de turbinas de vapor. Los motivos son diversos pero los dos más importantes son la seguridad y la eficiencia.

Wilesco también nos ofrece una turbina de vapor. Un gráfico muestra la evolución del momento de rotación dependiendo del número de rotaciones y un manómetro la presión de la caldera. A diferencia de la máquina de vapor (pistones) la turbina funciona sin aceite, y se utilizan rodamientos de bolas con el fin del llegar hasta las 9.000 r.p.m. A la salida se debe utilizar un reductor 1:4 para hacer funcionar las distintas máquinas, modelos y oficios. La presión de trabajo es también más elevada (1,2 a 1,5 bares) de modo que se hace preciso precalentar la caldera hasta llegar a la presión óptima de trabajo. La compañía Jensen Steam Engines   http://www.jensensteamengines.com/ también dispone de una Turbina de Vapor para educación.

En la actualidad la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares, ya que se ha visto desplazado especialmente por el motor eléctrico en la maquinaria industrial y por el motor de combustión interna en el transporte.

MOTORES DE COMBUSTION

Un motor de combustión interna, motor a explosión o motor a pistón, es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de una cámara de combustión. Su nombre se debe, a que dicha combustión se produce dentro de la máquina en sí misma, a diferencia de, por ejemplo, la máquina de vapor.

Hablamos aquí de los motores de combustión interna alternativos, vulgarmente conocidos como motores de explosión (gasolina) y motores diésel, son motores térmicos en los que los gases resultantes de un proceso de combustión empujan un émbolo o pistón, desplazándolo en el interior de un cilindro y haciendo girar un cigüeñal, obteniendo finalmente un movimiento de rotación. El funcionamiento cíclico de estos motores implica la necesidad de sustituir los gases de la combustión por nueva mezcla de aire y combustible en el interior del cilindro; este proceso se denomina renovación de la carga. Se pueden clasificar de dos modos:

  • Según la forma de provocar la ignición o encendido de la mezcla: encendido provocado (son los de ciclo Otto o de Gasolina) o encendido por compresión (son los de ciclo Diésel)
  • Según la forma de hacer la renovación de la carga: Ciclo de cuatro tiempos, o 4T (en los que el ciclo de trabajo se completa en cuatro carreras del émbolo y dos vueltas del cigüeñal. En estos motores, la renovación de la carga se controla mediante la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape) o Ciclo de dos tiempos, o 2T (en el que el ciclo de trabajo se completa en dos carreras del émbolo y una vuelta del cigüeñal. La renovación de la carga se logra por barrido, al desplazar la nueva mezcla los gases de la combustión previa, sin la necesidad de válvulas -en los diesel lleva de escape- ya que es ahora el propio émbolo el que con su movimiento descubre las lumbreras de admisión y escape -sólo ciclo Otto- regulando el proceso.

En los siguientes diagramas se observa el cilindro de un motor 2T y un ciclo de 4T. El rendimiento de estos motores está en torno al 50%.

La organización americana Smithsonian http://www.si.edu/ (museo nacional de historia americana), además de la muchas y múltiples actividades que realiza, desarrolla también productos para la educación de las ciencias. Uno ellos es el motor de combustión de 4 tiempos que se detalla. Con la ayuda del manual Smithsonian Motor Works Assembly Instructions los jóvenes ensamblarán un motor les permitirá descubrir las partes más importantes de un motor de combustión (válvulas de escape y admisión, resortes de válvula, bujías, pistones, cigüeñal, colectores, bielas, poleas, cámaras de temporización, ventilador, rodamientos, cazoleta de aceite, cárter, balancines y tapas, culatas superior e inferior, correas dentadas, bloque de cilindros, carburador, distribuidor,…).

Las pilas ponen en marcha las partes móviles, dando a los jóvenes un claro ejemplo de cómo funciona un motor de combustión interna. Las bujías se iluminan como si se estuvieran disparando y los ciclos de los cuatro pistones demuestran cómo se transfiere la potencia en el motor. Existen varios fabricantes que realizan variantes en torno a este producto.

La compañía alemana Revell http://www.revell.com/model-kits/engines/index.html nos ofrece la posibilidad de construir maquetas de distintos motores de combustión. De este modo nos familiarizamos con los distintos componentes de los motores y con su funcionamiento. Cada uno de estos kits contiene entre 100 y más de 300 piezas.

MOTOR STIRLING

El Motor Stirling fue inventado 1816 por Robert Stirling, reverendo de origen escocés. El objetivo era tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor. El principio de funcionamiento es el trabajo realizado por la expansión y contracción de un gas (normalmente helio, hidrógeno, nitrógeno o simplemente aire) al ser obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío, con lo cual se contrae, y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande. Es decir, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos. Al igual que la máquina de vapor o la turbina de vapor, se trata de un motor térmico.

Este motor continúa en investigación debido a la versatilidad de fuentes de energía utilizables para su funcionamiento, ya que al necesitar solamente una fuente de calor externa al cilindro, es posible usar una gran variedad de fuentes energéticas (energía solar térmica, todo tipo de combustibles, uso de la biomasa, energía geotérmica, etcétera).

El motor térmico que Robert Stirling patentó en 1816 constaba de un quemador con combustible que calentaba el aire en el interior de un cilindro y que proveía de energía al motor que era activado por medio del giro de una rueda volante. El aire dentro del cilindro de trabajo es calentado por medio de una llama y debido a su expansión, el aire impulsa los pistones de desplazamiento que de igual manera activan los pistones de trabajo. Los pistones de desplazamiento retornan a su posición original gracias a la rueda volante produciendo que el aire detrás de ellos se refrigere y generando vacío. Este vacío asegura que los pistones de trabajo regresen a su posición inicial. Este proceso se repite continuamente y la máquina se pone en operación.

La compañía Bohm Stirling-Technikhttp://www.es.boehm-stirling.com/ nos proporciona gran cantidad de motores stirling con distintas disposiciones. Véase la ficha del Deluxe Flyer. También motores en equipos automóviles. El documento Motor Stirling repasa la historia y el funcionamiento de dichos motores.

La compañía inglesa Kontax http://www.stirlingengine.co.uk/ ha desarrollado una serie de Motores Stirling que funcionan con muy bajas diferencias de temperatura. No es preciso el uso de llama. Basta una pequeña diferencia entre los dos platos que se consigue posando el motor sobre una taza con líquido caliente, sobre un televisor encendido o en la propia mano. Véanse, por ejemplo las instrucciones de montaje de varios de ellos el KS90R y el C-7002. Estos motores Stirling funcionan por la expansión y contracción del aire debido a las variaciones de temperatura.

MOTORES DE GAS

A diferencia de los motores de combustión de gasolina/diesel móviles (automoción), los motores de gas se utilizan en grandes plantas industriales o generadoras de energía, con gran carga de trabajo (tiempo y potencia). En estos motores el gas se mezcla con el aire mediante sistemas Venturi y no mediante carburador o inyectores como en los motores del vehículo. El rendimiento de estos motores está en torno al 45%. La compañía alemana Maier Mechanic http://maier-mechanic.com/en/ desarrolla motores de gas. El funcionamiento puede verse en http://maier-mechanic.com/en/technical-background/. Las instrucciones de montaje de uno de ellos son S1 Gas Engine Manual.

MOTOR A REACCIÓN

El motor de reacción, reactor o jet engine inventado por Frank Whittle en 1937 pero no utilizado hasta 1937 en un avión alemán, es un tipo de motor que descarga un chorro de fluido a gran velocidad para generar un empuje de acuerdo a las Leyes de Newton. Esta definición generalizada del motor a reacción incluye turborreactores, turbofanes, cohetes, estatorreactores y motores de agua pero, en su uso común, el término se refiere generalmente a una turbina de gas utilizada para producir un chorro de gases para propósitos de propulsión. El esquema adjunto muestra las 4 fases del ciclo de Brayton, de combustión interna, y elementos en que se desarrolla cada fase del ciclo en un turborreactor de simple flujo, de aviación.

La compañía Airfix http://www.airfix.com nos ofrece un kit de montaje con el cual podemos aprender las partes de un motor de reacción y el funcionamiento del mismo.

  1. juan trejo miramontes

    Hola Buen dia; Es de mi interés adquirir algunos equipos para fines educativos. ¿Dónde puedo comprar estos productos aquí en México?
    espero respuesta.
    Ing. Juan Trejo Miramontes

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