Los diferentes tipos de máquinas de vapor han experimentado muchos cambios a lo largo de la historia. Esencialmente, son motores de combustión externa que convierten la energía térmica del vapor de agua en energía mecánica.
Se han utilizado para impulsar bombas, locomotoras, barcos y tractores, siendo en su momento esenciales para la Revolución industrial. Actualmente, se emplean para la generación de energía eléctrica usando turbinas de vapor.
Una máquina de vapor consiste en una caldera que se utiliza para hervir agua y producir vapor. El vapor se expande y empuja un pistón o una turbina, cuyo movimiento hace el trabajo de girar las ruedas o de impulsar otra maquinaria.
La primera máquina de vapor la ideó Herón de Alejandría en el siglo I y llevaba por nombre eolípila. Consistía en una esfera hueca conectada a una caldera a la que se le adosaban dos tubos curvos. La esfera estaba llena de agua que se hacía hervir, provocando que el vapor fuera expulsado por los tubos a gran velocidad, haciendo girar la bola.
Aunque la eolípila no tenía un fin práctico, sin duda representa la primera implementación del vapor como fuente de propulsión.
Sin embargo, la mayoría de los sistemas que emplean vapor se pueden dividir en dos tipos: las máquinas de émbolo y las turbinas de vapor.
Tipos principales de máquinas de vapor
1. Máquinas de émbolo
Las máquinas de émbolo utilizan vapor presurizado. A través de pistones de doble efecto, el vapor presurizado entra alternativamente a cada lado, mientras que por el otro se libera o se envía a un condensador.
La energía es absorbida por una barra de deslizamiento sellada contra el escape del vapor. Esta varilla, a su vez, acciona una biela conectada a una manivela para convertir el movimiento alternativo en movimiento rotatorio.
Además, se utiliza otra manivela para accionar el engranaje de la válvula, usualmente a través de un mecanismo que permite la inversión del movimiento rotatorio.
Cuando se usa un par de pistones de doble efecto, el avance de la manivela está desplazado en un ángulo de 90 grados. Esto asegura que el motor siempre funcionará, sin importar en qué posición esté la manivela.
2. Motores de expansión múltiple
Otro tipo de máquina de vapor emplea varios cilindros de acción simple que incrementan su diámetro y movimiento progresivamente. El vapor de alta presión de la caldera se usa para impulsar el primer pistón de menor diámetro hacia abajo.
En el movimiento ascendente, el vapor parcialmente expandido es accionado dentro de un segundo cilindro que está comenzando su movimiento descendente. Esto genera una expansión adicional de la presión relativamente alta liberada en la primera cámara.
Asimismo, la cámara intermedia descarga hasta la cámara final, que a su vez se libera a un condensador. Una modificación de este tipo de motor, incorpora dos pistones más pequeños en la última cámara.
El desarrollo de este tipo de motor era importante para su uso en buques de vapor, ya que el condensador, al recuperar un poco de la potencia, convertía nuevamente el vapor en agua para su reutilización en la caldera.
Las máquinas de vapor terrestres podrían agotar gran parte de su vapor y rellenarse de una torre de agua dulce, pero en el mar esto no era posible.
Antes y durante la Segunda Guerra Mundial, el motor de expansión se utilizaba en vehículos marinos que no necesitaban ir a gran velocidad. Sin embargo, cuando se requirió más velocidad, fue reemplazado por la turbina de vapor.
3. Motor uniflow, o de flujo uniforme
Otro tipo de máquina de émbolo es el motor uniflow, o de flujo uniforme. Este tipo de motor utiliza vapor que solo fluye en una dirección en cada mitad del cilindro.
La eficiencia térmica se logra teniendo un gradiente de temperatura a lo largo del cilindro. El vapor siempre entra por los extremos calientes del cilindro y sale por unas aberturas en el centro del enfriador.
Esto se traduce en una reducción del calentamiento y enfriamiento relativos de las paredes del cilindro.
En los motores uniflow, la entrada de vapor suele controlarse por válvulas de vástago (que funcionan de forma similar a las que se usan en motores de combustión interna) accionadas por un árbol de levas.
Las válvulas de entrada se abren para admitir el vapor cuando se alcanza el volumen de expansión mínimo al comienzo del movimiento.
En un momento específico de la vuelta de la manivela, entra el vapor y se cierra la entrada del casquillo, permitiendo la expansión continua del vapor, accionando el pistón.
Al final del movimiento, el pistón descubrirá un anillo de orificios de escape alrededor del centro del cilindro.
Estos orificios están conectados al condensador, bajando la presión en la cámara y causando una liberación rápida. La rotación continua de la manivela es lo que mueve al pistón.
4. Turbinas de vapor
Las turbinas de vapor de alta potencia utilizan una serie de discos giratorios que contienen una especie de palas tipo hélice en su borde exterior. Estos discos móviles o rotores se alternan con anillos estacionarios o estatores, fijados a la estructura de la turbina para redirigir el flujo del vapor.
Debido a la alta velocidad de operación, tales turbinas están normalmente conectadas a un engranaje de reducción para accionar otro mecanismo, como por ejemplo, una hélice de un buque.
Las turbinas de vapor son más duraderas y requieren menos mantenimiento que las máquinas de émbolo. También producen fuerzas de rotación más suaves en su eje de salida, lo que contribuye a menores requerimientos de mantenimiento y menor desgaste.
El principal uso de las turbinas de vapor es en las estaciones de generación de electricidad, donde su alta velocidad de operación es una ventaja y su volumen relativo no es una desventaja.
También se utilizan en embarcaciones marinas, impulsando buques grandes y submarinos. Prácticamente, todas las centrales nucleares generan electricidad mediante el calentamiento del agua y la alimentación de turbinas de vapor.
5. Motores de propulsión
Existe un motor de propulsión submarino que emplea vapor de alta presión para atraer agua a través de una toma en la parte delantera, y expulsarlo a alta velocidad por la parte trasera.
Cuando el vapor se condensa en el agua, se crea una onda de choque que expulsa el agua por detrás.
Para mejorar la eficiencia del motor, este atrae aire a través de un respiradero delante del chorro de vapor, lo que produce burbujas de aire y cambia la forma en que el vapor se mezcla con el agua.
Referencias
- How Steam Engines Work. Recuperado de science.howstuffworks.com.
- Steam engine. Recuperado de newworldencyclopedia.org.