¿Cómo funciona la máquina de vapor?

¿Cómo funciona la máquina de vapor?

1 19581
Las-maquinas-de-vapor-producian-poca-energia-y-consumian-mucho-carbon
Las-maquinas-de-vapor-producian-poca-energia-y-consumian-mucho-carbon

Imagina vivir con nada más que carbón y agua, y a pesar de esto, tener suficiente energía como para funcionar ¡a más de 100rpm! Eso es exactamente lo que una locomotora de vapor puede hacer.

A pesar de que estos gigantes dinosaurios mecánicos están extinguidos en la mayoría de vías del mundo, la tecnología del vapor vive en el corazón de la gente y en las locomotoras que se siguen utilizando como atracciones turísticas en muchos ferrocarriles patrimoniales.

 

Máquina de vapor antigua
Máquina de vapor antigua

Las locomotoras de vapor fueron accionadas por motores de vapor, y merecen ser recordadas puesto que recorrieron el mundo a lo largo de la Revolución Industrial, en los siglos 18 y 19. Las máquinas de vapor clasificaron coches, aviones, teléfonos, radios y televisiones en medio de los inventos más impresionantes de todos los tiempos. Son maravillas de la maquinaria y ejemplos excelentes de la ingeniería, pero debajo de todo ese vapor y humo, ¿cómo funcionan exactamente?

 

¿Qué alimenta a una máquina de vapor?

Toma energía para hacer absolutamente cualquier cosa que puedas imaginar – para montar en skateboard, para volar en avión, para ir de tiendas, o conducir coches calle abajo. En la actualidad, la energía que más utilizamos para viajar viene del petróleo, pero antes este no era el caso.

A comienzos del siglo 20, el carbón era la energía predilecta en el mundo para proporcionar alimento a los trenes y barcos y, a los aviones malogrados inventados por el científico americano Samuel P. Langley, un rival temprano de los hermanos Wright. ¿Qué hacía tan especial al carbón? Había montones en el interior de la tierra lo que lo convertía en un mineral disponible y relativamente barato.

 

Cargando la máquina de vapor de carbón. Año 1634
Cargando la máquina de vapor de carbón. Año 1634

 

El carbón es una substancia química orgánica. Se formó hace millones de años cuando los restos de plantas muertas se enterraron debajo de las rocas. Fue exprimido y cocinado por la presión y la calor interna de la tierra. Grumos de carbón son en realidad grumos de energía. El carbón está formado por átomos de hidrógeno y oxígeno unidos mediante enlaces químicos.

 

Cuando quemamos carbón a fuego vivo, los enlaces químicos se rompe y la energía es liberada en forma de calor.

 

¿Qué es una locomotora de vapor?

Una locomotora de vapor es una máquina que quema carbón para liberar la energía de calor que contiene esta substancia – es un ejemplo de lo que llamamos motor térmico. Es parecido a un caldero gigante situado encima de un fuego de carbón. El calor del fuego hace que el agua hierva en la caldera y se convierta en vapor. Pero en lugar de salir volando hacia el aire inútilmente, como hace el vapor en una tetera, el vapor es captura y utilizado para proporcionar energía a la máquina. ¡Vamos a averiguar cómo!

 

¿Cómo funciona una máquina de vapor?

Partes principales de una máquina de vapor
Partes principales de una máquina de vapor

 

Hay cuatro partes diferentes en una máquina de vapor:

  1. Un fuego en el que el carbón se quema.
  1. Una caldera llena de agua que el calor calienta para generar el vapor.
  1. Un cilindro y un pistón, bastante parecido al de la bomba de la bicicleta pero mucho más grande. El vapor de la caldera es entubado dentro del cilindro, causando que el pistón se mueva primero de una forma y luego de otra. Este movimiento de entrada y salida (el cual es conocido como “alternativo”) se utiliza para conducir…
  1. una máquina unida al pistón. Podría ser cualquier cosa desde una bomba de agua a una máquina de fábrica… o incluso ¡una locomotora de vapor gigante corriendo arriba y abajo por unas vías de ferroviarias!

 

Esto es una descripción simplificada, por supuesto. En realidad, hay cientos o quizás miles de partes más pequeñas incluidas en la locomotora.

 

Paso a paso

Es más fácil ver cómo funciona una máquina de vapor en este pequeño video de abajo.

 

 

Dentro de la cabina locomotora cargas carbón en la cámara de combustión, la cual está compuesta de metal para contener el fuego del carbón rugiendo. El fuego calienta la caldera – la “gigante tetera” del interior de la locomotora.

 

La caldera de la máquina de vapor no se parece demasiado a una tetera, por lo que no la usarías para hacer té, pero funciona de la misma forma, generando vapor cuando la presión aumenta. La caldera es un tanque enorme de agua formado por docenas de tubos de metal delgados que se encuentran alrededor del mismo. Los tubos van desde la cámara de combustión hasta la chimenea, llevando el calor y el humo del fuego con ellos.

 

La disposición de los tubos de la caldera hace que el fuego del motor pueda calentar el agua en el depósito de la caldera mucho más rápido, de esta forma produce vapor más rápida y eficazmente. El agua hiervendo causa que el vapor proceda de los tanques montados encima de la locomotora o del vagón separado llamado auxiliar, debajo de la locomotora. (El vagón auxiliar también contiene el suministro de carbón de la locomotora.)

 

El vapor generado en la caldera fluye hacia abajo, hacia el cilindro justo delante de las ruedas, empujando un émbolo ceñido, el pistón, de ida y vuelta. Una pequeña puerta mecánica en el cilindro, conocida como válvula de entrada le permite al vapor entrar. El pistón está conectado a una o más ruedas de la locomotora a través de una especie de junta llamada manivela y a otra parte conocida como biela, que permiten el movimiento de la maquinaria.

 

Cuando el pistón empuja, la manivela y la biela giran las ruedas de la locomotora y alimentan al tren. Cuando el pistón ha alcanzado el final del cilindro, no puede empujar más lejos. El impulso del tren continúa el movimiento de la manivela hacia delante, empujando al pistón para que vuelva al cilindro de la misma forma que vino. La válvula de entrada de vapor se cierra y una válvula de salida se abre haciendo que el pistón empuje el vapor de vuelta al cilindro y que éste suba por la chimenea de la locomotora.

 

El ruido intermitente “chuff-chuff” que generan las máquinas de vapor, y los intermitentes “pufs” de humo, suceden cuando el pistón se mueve hacia detrás y delante en el cilindro.

 

Hay un cilindro en cada lado de la locomotora y dos cilindros en el fuego ligeramente alejados entre sí para garantizar que siempre haya energía para empujar el motor.

 

Tipos de motores de vapor

Nuestro diagrama superior muestra una máquina de vapor simple, con un único cilindro que genera la suficiente energía para que la locomotora se mueva. Esto se conoce con el nombre de máquina de vapor rotatoria, porque el trabajo del pistón es hacer que las ruedas roten.

 

James Watt implantó el regulador de velocidad en los motores de vapor
James Watt implantó el regulador de velocidad en los motores de vapor

La primera locomotora de vapor funcionó de diferente forma. En lugar de rotar las ruedas, el pistón empujaba una viga de arriba abajo con un sencillo movimiento de vaivén de ida y vuelta.

 

Motores alternativos de máquinas de vapor fueron usados para bombear agua hacia el exterior de las inundadas minas de carbón en el siglo 18.

 

Cuando el vapor empuja el pistón y la locomotora lo dirige en el sentido contrario, estamos hablando de una máquina de vapor de simple efecto. El diseño es bastante ineficiente debido a que el pistón solamente tiene energía suficiente la mitad del tiempo.

 

Los mejores diseños utilizan tuberías y válvulas extra para que el vapor empuje el pistón, primero de una forma y luego de otra. Esto se conoce como máquina de vapor de doble efecto (o contraflujo). Es mucho más poderosa debido a que el vapor está conduciendo el pistón todo el tiempo.

 

Las primeras máquinas de vapor eran muy grandes e ineficaces, lo que significa que necesitaban toneladas de carbón para conseguir moverse. Las siguientes máquinas producían vapor a una presión mucho más alta: el vapor era producido en una cámara mucho más pequeña y fuerte; de esa forma, el vapor salía y golpeaba el pistón con mucha más fuerza. La fuerza extra de la máquina de vapor de presiones altas le permitió a los ingenieros construirlas más pequeñas y compactas, y esto fue lo que allanó el camino para las locomotoras de vapor, los barcos de vapor y los coches de vapor.

 

Realmente, ¿ha muerto el vapor?

El carbón era barato y abundante durante la Revolución Industrial, pero la invención del motor de gasolina (petróleo) en la mitad del siglo 19 anunció una nueva era: durante el siglo 20, el petróleo sustituyó al cabrón como el combustible predilecto del mundo.

 

Los motores de vapor son extremadamente ineficientes, pierden alrededor del 80-90% de la energía que produce del carbón. Lo que significaba que tenían que quemar enormes cantidades de carbón para producir enormes cantidades de energía útil.

 

La forma más sencilla de adquirir combustible energético
La forma más sencilla de adquirir combustible energético

El motor de vapor es tan ineficiente porque el fuego que quema el carbón está totalmente separado del cilindro que convierte la energía del calor del vapor en energía mecánica para mover la máquina. Este diseño es conocido como motor de combustión externa debido a que el fuego y la caldera están fuera del cilindro. Es ineficiente porque la energía se pierde en forma de calor y vapor al viajar desde el fuego a la caldera y de ahí al cilindro.

Los motores de gasolina y diesel se han basado en un diseño totalmente diferente, motores de combustión interna. La gasolina o el diesel son quemados dentro del cilindro no fuera, y esta combustión interna del motor los hace más eficientes considerablemente.

 

El petróleo tiene muchas más ventajas: es más limpio que el carbón, produce menos contaminación, y es mucho más fácil de transportar en tuberías.

 

Eso es en gran parte por lo que las locomotoras de vapor han desaparecido de nuestros raíles ferroviarios – locomotoras diesel fueron en conjunto más convenientes. Los motores de vapor desaparecieron de las fábricas cuando la electricidad se convirtió en la mejor forma de dar energía los edificios. ¿Quién quiere cargar carbón en una fábrica día tras día cuando puedes pulsar los interruptores y hacer que las cosas funcionen?

 

Se tardaban horas en arrancar un motor de vapor para poder usarlo; ahora con el motor diesel en menos de un minuto puedes estar viajando. 

 

Pero las cosas no son lo que parecen. El vapor y el carbón nunca han desaparecido – no exactamente. ¿De dónde viene la electricidad que utilizamos?

 

Funcionamiento de una central térmica
Funcionamiento de una central térmica

 

Sería genial si todo procediera de las energías renovables (turbinas de viento, paneles solares, y así), pero muchas aún proceden del carbón quemado en centrales eléctricas a kilómetros de distancia de nuestros hogares y fábricas. Dentro de una planta de energía, el carbón aún es quemado para generar vapor, moviendo dispositivos de molinos de viento llamados turbinas de vapor, mucho más eficientes que los motores de carbón.

Cuando las turbinas de vapor rotan, hacen girar generadores electromagnéticos produciendo electricidad. Así que, como ves, a pesar de que las locomotoras de vapor han desaparecido de nuestros raíles, la energía del vapor sigue viva – ¡y sigue siendo tan importante como lo fue siempre!

 

Resumen
Las locomotoras de vapor se convirtió en una máquina imprescindible durante la Revolución Industrial de los siglos 18 y 19.

Las máquinas de vapor se alimentaban de cantidades enormes de carbón y se movían gracias a la evaporación del agua en su interior. Su funcionamiento se podría resumir en los siguientes puntos:

  1. En la cámara de combustión se introducían enormes cantidades de carbón donde se quemaban.
  2. Encima del fuego había una enorme caldera llena de agua que llegaba a ebullición gracias a las llamas producidas por el carbón.
  3. El vapor producido por el agua se entubaba en un cilindro. A través de este cilindro el vapor empujaba un pistón que se movía de delante hacia atrás.
  4. El pistón estaba conectado a la manivela y la biela, las encargadas de mover las ruedas gracias al movimiento de esta pieza.
  5. Cuando el vapor terminaba su recorrido era expulsado a través de la chimenea de la locomotora.

A lo largo de los años se fueron construyendo diferentes máquinas de vapor: la máquina de vapor rotativa, la máquina de vapor de simple efecto o la de doble efecto. A medida que fueron pasando los años en la década de los 20 el petróleo substituyó al carbón por ser más eficaz y eficiente.

A pesar de esto, no ha desaparecido de nuestra vida ya que gracias a él las centrales eléctricas y las térmicas siguen produciendo energía para abastecer nuestros hogares de electricidad y calor día tras día.

 

1 COMENTARIO

Deja una Respuesta