Resumen

Mquina de vaporUnamquina de vapores unmotor de combustin externaque transforma laenerga trmicade una cantidad deaguaenenerga mecnica. En esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas. Se generavapor de aguaen unacalderacerrada por calentamiento, lo cual produce la expansin del volumen de uncilindroempujando un pistn. Mediante unmecanismo de biela-manivela, elmovimiento lineal alternativodel pistn del cilindro se transforma en unmovimiento de rotacinque acciona, por ejemplo, las ruedas de unalocomotorao el rotor de ungenerador elctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el mbolo retorna a su posicin inicial y expulsa el vapor de agua utilizando laenerga cinticade unvolante de inercia. El vapor a presin se controla mediante una serie devlvulasde entrada y salida que regulan la renovacin de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro.

Partiendo de la simple caldera de casco cilndrico, se han desarrollado muchos y variados tipos de unidades generadoras de vapor. Algunos se han diseados para proporcionar fuerza en general o calefaccin, otros en cambio, se destinan para funciones ms especializadas. Sus caractersticas varan de acuerdo con la naturaleza del servicio que se prestan. La clasificacin ms simple son las denominaciones de calderas estacionarias (las instaladas en tierra) y calderas mviles (para navos y locomotoras).

Calderas estacionarias

Una caldera estacionaria se encuentra instalada permanentemente en una posicin fijada en un solo lugar

Calderas mviles

Una caldera mvil o porttil se encuentra montada sobre un camin, barco u otro aparato mvil. Para el caso de una locomotora se ocupa una caldera diseada especialmente para vehculos de traccin autopropulsados sobre rieles. Para el caso de una caldera marina se utiliza normalmente una caldera de tipo especial de cabezal bajo destinada para barcos de carga y pasajeros con capacidad de vaporizacin inherente rpida.

Tambin se pueden clasificar dependiendo de los niveles de presin que logran mantener:

Caldera de alta presin

Es aquella que genera vapor a una presin mayor de 15 psi manomtricos.

Caldera de baja presin

Es aquella que genera vapor a una presin menos de 15 psi manomtricos

Caldera de potencia

Es una caldera de vapor de agua o de fluido que trabaja por encima de los 15 psi y excede el tamao de una caldera miniatura. Esto tambin incluye el calentamiento de agua caliente o calderas del agua caliente que funcionan por encima de 160 psi o 250 F.

Caldera de calefaccin por agua caliente

Es una caldera que no genera vapor, pero en la cual el agua caliente circula con propsito de calefaccin y despus retoma a la caldera y que trabaja con presiones que no exceden de 160 psi o de una temperatura mayor de 250F

Caldera supercrtica

Es una caldera que funciona por encima de la presin absoluta de 3206.2 psi y 705.4F de temperatura de saturacin. Ciclo de potencia de vapor

Las plantas de potencia de vapor de agua trabajan fundamentalmente con el mismo ciclo Rankine, tanto si el suministro de energa viene de la combustin de combustibles fsiles, como si proviene de un proceso de fusin de un reactor nuclear. Este se diferencia a los de gas, ya que en algunas fases de los procesos, se hallan tanto la fase liquida como la fase gas o vapor. Las ciclo reales actuales son muy complejos de estudiar, por lo que se estudian en profundidad tomando modelos sencillo, estos modelos entregan resultados cualitativos y con las practicas experimentales e llegan a tener mejores resultados para analizar una planta y mejorarlas.Los procesos que regresan a su estado inicial reciben el nombre de procesos cclicos. Un ciclo ideal de potencia que utilice vapor de agua se compone de procesos de transferencia de calor a presin constante (hacia el fluido de trabajo en el generador de vapor y desde el fluido de trabajo en el condensador) y de procesos de trabajo adiabtico (adicin de trabajo por la bomba y entrega de trabajo por la turbina). La mquina ideal de ignicin por chispa se compone de procesos adiabticos y a volumen constante. El combustible y el aire se comprimen adiabticamente y la combustin subsiguiente se idealiza como un calentamiento a volumen constante. Los gases calientes se expanden adiabticamente, realizando un trabajo. Entonces, los gases al escape disipan calor a volumen constante. Ciclo de Carnot con vapor

Este ciclo terico, est compuesto por dos procesos isotrmicos e internamente reversibles y dos proceso adiabticos e internamente reversibles.

1-2 A la presin alta del estado 1 se comunica calor a presin constante (y a temperatura constante), hasta que el agua se encuentra como vapor saturado en el estado 2.

2-3 Una expansin adiabtica e internamente reversible del fluido de trabajo en la turbina hasta que alcanza la temperatura inferior TB en el estado 3.

3-4 El vapor hmedo que sale de la turbina se condensa parcialmente a presin constante (y temperatura constante) hasta el estado 4, cediendo calor.

4-1 Se comprime isoentrpicamente vapor de agua hmedo, que se encuentra en el estado 4, hasta el estado 1 de lquido saturado.Trabajo neto (w=wt-wb)

Eficiencia trmica de Carnot

La calidad del vapor a la salida de la turbina es baja, lo cual acorta la vida til de la turbina.

La etapa de compresin isentropica de 1-2 es difcil de realizar con un fluido bifsico.

Al salir vapor saturado se limita la temperatura TH y por tanto la eficiencia

Ciclo Rankine

El ciclo Rankine es una modificacin del ciclo Carnot, esto con el fin de mejorar el sistema trmico corrigiendo los problemas que este produce, entre estas modificaciones estn:

Primero en el proceso 4-1 se lleva a cabo de manera que el vapor hmedo expandido en la turbina se condense por completo, hasta el estado liquido saturado a la presin de la salida de la turbina.

Proceso de compresin 1-2 se realiza ahora mediante una bomba de lquido, que eleva isoentrpicamente la presin del lquido que sale del condensador hasta la presin deseada para el proceso 2-3.

Durante el proceso 2-3 se sobrecalienta el fluido hasta una temperatura que es con frecuencia superior a la temperatura crtica.

Este ciclo consta de una caldera, donde el agua entra a la caldera en 2 como liquido y sale de vapor en 3. Despus de que el vapor saturado sale de la caldera en el estado 3 pasa a travs del sobre calentador recibiendo energa, incrementando la temperatura del vapor a presin constante hasta el estado 3 (vapor saturado). Luego hay una maquina de expansin (turbina) donde el vapor se expande produciendo trabajo, saliendo en el estado 4. A continuacin este vapor entra a un aparato de condensacin de donde sale como liquido al estado 1. Este a su vez es tomado por una bomba de inyeccin necesaria para vencer la presin de la caldera, que lo lleva al estado 2 donde ingresa a la caldera.El balance de energa aplicado al volumen de control situado alrededor del condensador se reduce a:

Para mejorar la eficiencia se recomienda

Sobrecalentar el vapor en la caldera implica subir la TH y mejorar la eficiencia, adems tiende a aumentar la calidad x4

Existen diferentes ciclos Rankine mejorados como son: Rankine con recalentamiento: este consiste en expansionar la turbina en dos etapas, recalentando el vapor entre ellas esto aumenta la temperatura media a la cual se recibe calor y aumenta la calidad a la salida de la turbina.

Regenerativo: este consiste en extraer parte del calor e invertirla en calentar el liquido sobre comprimido lo cual ocurre al relativamente bajar T. este requiere dos bombas, divisin de flujo en la turbina y se ajusta para que 3 sea liquido saturado.

Clasificacin general de las maquinas Motor o fuente de energa

Maquinas manuales

Maquinas elctricas

Maquinas hidrulicas

Maquinas trmicas Mecanismo o movimiento principal Maquinas rotatorias Maquinas alternativas Maquinas de reaccin Tipo de bastidor

Bastidor fijo Bastidor mvilCiclo ideal de compresin de vapor

Este es un ciclo de referencia el cual impone:

Existen saltos de temperatura entre el fluido que circula por el ciclo y las temperaturas de los focos calientes y frio en el condensador y el evaporador.

El proceso de compresin se realiza sobre vapor seco partiendo de las condiciones de vapor saturado.

La expansin no se realiza en una turbina porque el poco trabajo obtenido no compensa el coste y complejidad asociada a este elemento. La expansin se desarrolla en una vlvula de laminacin adiabtica y por tanto es un proceso isoentlpico.

El proceso de compresin no es isoentropico quedando caracterizado por un rendimiento:

Conclusiones

Pudimos comprobar experimentalmente el funcionamiento de un motor de vapor y como es que el funcionamiento de la maquina nos puede ayudar no solo a considerar la eficiencia por ejemplo de cada uno de los instrumentos utilizados si no tambin que son instrumentos que al final de cuentas generan la energa y que esta se puede ver aprovechada por no solo por la herramienta misma sino que tambin puede ayudar a la sociedad a utilizar esa energa en algo que le haga falta a la comunidad como por ejemplo una planta que genere electricidad a travs de esos procesos y como consecuencia genere la energa solicitada, ahora bien si bien es cierto que cada una de las maquina opera de manera diferente cada una de ellas tiene el mismo fin y es por eso que tenemos que decir que la mquina de vapor es solo una de tantas que debemos de tener en cuenta para la produccin de energa.