Máquina de vapor

Invenciones industriales. Maquinaria. Motor vapor. Barcos. Vehículos. Ferrocarril

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Introducción

Historia de las maquinas de vapor

Máquina de vapor, dispositivo mecánico que convierte la energía del vapor de agua en energía mecánica y que tiene varias aplicaciones en propulsión y generación de electricidad. El principio básico de la máquina de vapor es la transformación de la energía calorífica del vapor de agua en energía mecánica, haciendo que el vapor se expanda y se enfríe en un cilindro equipado con un pistón móvil. El vapor utilizado en la generación de energía o para calefacción suele producirse dentro de una caldera. La caldera más simple es un depósito cerrado que contiene agua y que se calienta con una llama hasta que el agua se convierte en vapor saturado. 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.

Historia

El primer motor de pistón fue desarrollado por el físico e inventor francés Denis Papin y se utilizó para bombear agua. El motor de Papin, poco más que una curiosidad, era una máquina tosca que aprovechaba el movimiento del aire más que la presión del vapor. La máquina contaba con un único cilindro que servía también como caldera. Se colocaba una pequeña cantidad de agua en la parte inferior del cilindro y se calentaba hasta que producía vapor. La presión del vapor empujaba un pistón acoplado al cilindro, tras lo cual se eliminaba la fuente de calor de la parte inferior. A medida que el cilindro se enfriaba, el vapor se condensaba y la presión del aire en el exterior del pistón lo empujaba de nuevo hacia abajo.

En 1698 el ingeniero inglés Thomas Savery diseñó una máquina que utilizaba dos cámaras de cobre que se llenaban de forma alternativa con vapor producido en una caldera. Esta máquina se utilizó también para bombear agua, igual que la máquina llamada motor atmosférico desarrollada por el inventor británico Thomas Newcomen en 1705. Este dispositivo contaba con un cilindro vertical y un pistón con un contrapeso.

El vapor absorbido a baja presión en la parte inferior del cilindro actuaba sobre el contrapeso, moviendo el pistón a la parte superior del cilindro. Cuando el pistón llegaba al final del recorrido, se abría automáticamente una válvula que inyectaba un chorro de agua fría en el interior del cilindro. El agua condensaba el vapor y la presión atmosférica hacía que el pistón descendiera de nuevo a la parte baja del cilindro. Una biela, conectada al eje articulado que unía el pistón con el contrapeso, permitía accionar una bomba. El motor de Newcomen no era muy eficiente, pero era lo bastante práctico como para ser utilizado con frecuencia para extraer agua en minas de carbón.

Durante sus trabajos de mejora de la máquina de Newcomen el ingeniero e inventor escocés James Watt desarrolló una serie de ideas que permitieron la fabricación de la máquina de vapor que hoy conocemos. El primer invento de Watt fue el diseño de un motor que contaba con una cámara separada para la condensación del vapor. Esta máquina, patentada en 1769, redujo los costos de la máquina de Newcomen evitando la pérdida de vapor producida por el calentamiento y enfriamiento cíclicos del cilindro. Watt aisló el cilindro para que permaneciera a la temperatura del vapor. La cámara de condensación separada, refrigerada por aire, contaba con una bomba para hacer un vacío que permitía absorber el vapor del cilindro hacia el condensador. La bomba se utilizaba también para eliminar el agua de la cámara de condensación.

Otro concepto fundamental de las primeras máquinas de Watt era el uso de la presión del vapor en lugar de la presión atmosférica para obtener el movimiento. Watt diseñó también un sistema por el cual los movimientos de vaivén de los pistones movían un volante giratorio. Esto se consiguió al principio con un sistema de engranajes y luego con un cigüeñal, como en los motores modernos. Entre las demás ideas de Watt se encontraba la utilización del principio de acción doble, por el cual el vapor era inyectado a un lado del pistón cada vez para mover éste hacia adelante y hacia atrás. También instaló válvulas de mariposa en sus máquinas para limitar la velocidad, además de reguladores que mantenían de forma automática una velocidad de funcionamiento estable.

El siguiente avance importante en el desarrollo de máquinas de vapor fue la aparición de motores sin condensación prácticos. Si bien Watt conocía el principio de los motores sin condensación, no fue capaz de perfeccionar máquinas de este tipo, quizá porque utilizaba vapor Máquinas de vapor modernas.

El funcionamiento de una máquina de vapor moderna convencional se muestra en las figuras 1a-d, que muestran el ciclo de funcionamiento de una máquina de este tipo. En la figura 1a, cuando el pistón se encuentra en el extremo izquierdo del cilindro, el vapor de agua entra por el cabezal de la válvula y a través del orificio hacia la parte izquierda del cilindro. La posición de la válvula deslizante de corredera permite que el vapor ya utilizado en la parte derecha del pistón escape a través del orificio de expulsión o conducto de salida. El movimiento del pistón acciona un volante, que a su vez mueve una biela que controla la válvula deslizante. Las posiciones relativas del pistón y la válvula deslizante son reguladas por las posiciones relativas de los puntos en que están acoplados el cigüeñal y la biela de la válvula de deslizamiento al volante.

En la segunda posición, que se muestra en la figura 1b, el vapor que se encuentra en la parte izquierda del cilindro se ha expandido y ha desplazado el pistón hacia el punto central del cilindro. Al mismo tiempo, la válvula se ha movido a su posición de cierre de forma que el cilindro queda estanco y no pueden escapar ni el vapor del cilindro ni el de la caja de válvulas.

Según se mueve el pistón hacia la derecha a causa de la presión del vapor en expansión, como se muestra en la figura 1c, la caja de válvulas, que contiene vapor, se conecta al extremo derecho del cilindro. En esta posición la máquina está preparada para iniciar el segundo tiempo del ciclo de doble acción. Por último, en la cuarta posición (figura 1d), la válvula cubre de nuevo los orificios de ambos extremos del cilindro y el pistón se desplaza hacia la izquierda, empujado por la expansión del vapor en la parte derecha del cilindro.

El tipo de válvula que aparece en la figura es la válvula simple de deslizamiento, la base de la mayoría de las válvulas de deslizamiento utilizadas en las máquinas de vapor actuales. Este tipo de válvulas tienen la ventaja de ser reversibles, o sea, que su posición relativa al pistón puede variarse cambiando la porción de la excéntrica que las mueve, tal y como se muestra en la figura 2. Cuando se mueve la excéntrica 180 grados, puede invertirse la dirección de rotación de la máquina.

Máquina de vapor

La válvula de deslizamiento tiene no obstante un buen número de desventajas. Una de las más importantes es la fricción, causada por la presión del vapor en la parte posterior de la válvula. Para evitar el desgaste que causa esta presión, las válvulas de las máquinas de vapor suelen fabricarse en forma de un cilindro que encierra el pistón, con lo que la presión es igual en toda la válvula y se reduce la fricción. El desarrollo de este tipo de válvula se atribuye al inventor y fabricante estadounidense George Henry Corliss. En otros tipos de válvulas, su parte móvil está diseñada de forma que el vapor no presione directamente la parte posterior.

La unión entre el pistón y la válvula que suministra el vapor es muy importante, ya que influye en la potencia y la eficiencia de la máquina. Cambiando el momento del ciclo en que se admite vapor en el cilindro puede modificarse la cantidad de compresión y expansión del cilindro, consiguiéndose así variar la potencia de salida de la máquina. Se han desarrollado varios tipos de mecanismos de distribución que unen el pistón a la válvula, y que no sólo permiten invertir el ciclo sino también un cierto grado de control del tiempo de admisión y corte de entrada del vapor. Los mecanismos de distribución por válvulas son muy importantes en locomotoras de vapor, donde la potencia que se requiere de la máquina cambia con frecuencia. El esfuerzo alcanza su punto máximo cuando la locomotora está arrancando y es menor cuando circula a toda velocidad.

Un componente importante de todos los tipos de máquinas de vapor de vaivén es el volante accionado por el cigüeñal del pistón. El volante, una pieza por lo general pesada de metal fundido, convierte los distintos empujes del vapor del cilindro en un movimiento continuo, debido a su inercia. Esto permite obtener un flujo constante de potencia.

En las máquinas de vapor de un solo cilindro la máquina puede detenerse cuando el pistón se encuentra en uno de los extremos del cilindro. Si el cilindro se encuentra en esta posición, se dice que el motor se encuentra en punto muerto y no puede arrancarse. Para eliminar los puntos muertos, las máquinas cuentan con dos o más cilindros acoplados, dispuestos de tal forma que la máquina puede arrancar con independencia de la posición de los pistones. La manera más simple de acoplar dos cilindros de una máquina es unir los dos cigüeñales con el volante de la forma que se muestra en la figura 3. Para conseguir un equilibrio mayor puede utilizarse una máquina de tres cilindros en la que las manivelas de los cilindros se colocan en ángulos de 120 grados. El acoplamiento de los cilindros no sólo elimina las dificultades de arranque sino que permite diseñar plantas de generación con un funcionamiento más fiable.

Máquina de vapor

Los cilindros de una máquina compuesta, al contrario que el de una de un solo cilindro, pueden mantenerse próximos a una temperatura uniforme, lo que aumenta la eficiencia de la máquina.

Un avance en el diseño de las máquinas de vapor fue la máquina de flujo unidireccional, que utiliza el pistón como válvula y en la que todas las partes del pistón permanecen aproximadamente a la misma temperatura cuando la máquina está en funcionamiento. En estas máquinas el vapor se mueve solamente en una dirección mientras entra en el cilindro, se expande y abandona el cilindro. Este flujo unidireccional se consigue utilizando dos conjuntos de orificios de entrada en cada extremo del cilindro, junto con un único conjunto de orificios de salida en la parte central de la pared del cilindro. La corriente de vapor que entra por los dos conjuntos de orificios de entrada se controla con válvulas separadas. Las ventajas inherentes a este sistema son muy considerables por lo que este tipo de máquina se utiliza en grandes instalaciones, si bien su coste inicial es mucho mayor que el de las máquinas convencionales. Una virtud de la máquina de flujo unidireccional es que permite un uso eficiente del vapor a altas presiones dentro de un único cilindro, en lugar de requerir un cilindro compuesto.

A muy baja presión. A principios del siglo XIX el ingeniero e inventor británico Richard Trevithick y el estadounidense Oliver Evans construyeron motores sin condensación con buenos resultados, utilizando vapor a alta presión. Trevithick utilizó este modelo de máquina de vapor para mover la primera locomotora de tren de todos los tiempos. Tanto Trevithick como Evans desarrollaron también carruajes con motor para carretera.

Por esta época el ingeniero e inventor británico Arthur Woolf desarrolló las primeras máquinas de vapor compuestas. En estas máquinas se utiliza vapor a alta presión en un cilindro y cuando se ha expandido y perdido presión es conducido a otro cilindro donde se expande aún más. Los primeros motores de Woolf eran del tipo de dos fases, pero algunos modelos posteriores de motores compuestos contaban con tres o cuatro fases de expansión. La ventaja de utilizar en combinación dos o tres cilindros es que se pierde menos energía al calentar las paredes de los cilindros, lo que hace que la máquina sea más eficiente.

Trasporte de vapor Acuático

Barcos de vapor

La primera ocasión en que se utilizó el vapor para propulsar un barco fue registrada en 1786; en ese año, el inventor estadounidense John Fitch botó un pequeño barco de vapor en el río Delaware. Gracias a un diseño posterior, alcanzó una velocidad de más de 10 km/h en un segundo barco de vapor que construyó en 1788. El inventor estadounidense Robert Fulton construyó su primer buque de ruedas en 1807, y a los pocos años se utilizaban nuevos barcos de este tipo en aguas interiores y en las costas de Gran Bretaña y Estados Unidos. Otro dato muy importante es que durante el siglo XIX se produjeron grandes avances gracias a la tecnología producto de la energía a vapor. El Clermont, primer barco de vapor eficiente, fue construido por el inventor estadounidense Robert Fulton. Hizo su viaje inaugural en 1807 por el río Hudson desde la ciudad de Nueva York hasta Albany, que realizó la distancia del viaje de ida y vuelta de casi 483 Km. en 62 horas.

Primeros desarrollos

El primer barco de vapor que cruzó el Atlántico fue el buque correo de costa remozado Savannah, que zarpó desde Savannah, Georgia, el 28 de mayo de 1819 y llegó a Liverpool el 20 de junio. Algunos otros barcos cruzaron después el océano Atlántico, pero no se instituyó un servicio regular hasta 1840, año en que la empresa recién creada Cunard Line estableció y mantuvo una línea regular entre Gran Bretaña y Estados Unidos. Los buques eran de madera, con ruedas accionadas por vapor, y llevaban también mástiles y un aparejo de barca que se usaba cuando el viento era favorable. Sus dos máquinas le suministraban una potencia de 1.500 CV, aproximadamente, y propulsaban el barco a unos 9 nudos (16 km/h). Los primeros vapores estadounidenses que mantuvieron un programa regular de viajes transatlánticos fueron el Hermann y el Washington, que comenzaron sus servicios en 1847.

Entre los primeros intentos de aplicación de la propulsión por hélice, se cuenta la construcción en 1804, por el inventor John Stevens, de un barco de vapor con dos hélices.

Aunque obtuvo éxito en varias pruebas, Stevens se desalentó debido a dificultades en la construcción de la máquina, y no prosiguió sus ensayos. En 1836, el sueco John Ericsson y el británico Francis Smith introdujeron, cada uno de ellos por caminos independientes, la hélice que fue sometida a prueba en una serie de barcos, entre los que destacó el navío británico Great Britain, terminado en 1844. El buque tenía 98,2 m de eslora y una capacidad de carga de casi 3.550 t. Una única máquina de 2.000 CV impulsaba el barco a una velocidad de 12 nudos (22 km/h). El Great Britain se hundió en la costa de Irlanda, pero soportó severos vientos y marejadas durante un invierno completo, y fue reflotado más tarde sin daños. Este hecho eliminó una gran parte de los prejuicios conservadores contrarios al uso del hierro como material apropiado para la construcción de barcos.

Transporte de Vapor terrestre.

Vehículos

El vapor parecía el sistema más prometedor, pero sólo se logró un cierto éxito a finales del siglo XVIII. El vehículo autopropulsado más antiguo que se conserva, un tractor de artillería de tres ruedas construido por el ingeniero francés Nicolás Cugnot en 1770, era muy interesante, pero de Máquina de vapor
utilidad limitada.
Después, una serie de ingenieros franceses, estadounidenses y británicos -entre ellos William Murdoch, James Watt y William Symington- inventaron vehículos todavía menos prácticos.
En 1789 el inventor estadounidense Oliver Evans obtuvo su primera patente por un carruaje de vapor, y en 1803 construyó el primer Máquina de vapor
vehículo autopropulsado que circuló por las carreteras estadounidenses.
En Europa, el ingeniero de minas británico Richard Trevithick construyó el primer carruaje de vapor en 1801, y en 1803 construyó el llamado London Carriage. Aunque este vehículo no se perfeccionó, siguieron produciéndose mejoras en la máquina de vapor y en los vehículos. Estos avances tuvieron lugar sobre todo en Gran Bretaña, donde el período de 1820 y 1840 fue la edad de oro de los vehículos de vapor para el transporte por carretera.

Eran máquinas de diseño avanzado fueron construídas por ingenieros especializados como Gurney, Hancock o Macerone. Sin embargo, esa naciente industria de fabricación tuvo una vida muy breve. Los trabajadores que dependían del transporte con caballos para su subsistencia fomentaron unos peajes o cuotas más elevados para los vehículos de vapor. Esta circunstancia tenía una cierta justificación, ya que dichos vehículos eran pesados y desgastaban más las carreteras que los coches de caballos.
Por otra parte, la llegada del ferrocarril significó un importante golpe para los fabricantes de vehículos de vapor. La restrictiva legislación de la Locomotive Act de 1865 supuso la restricción final a los vehículos de vapor de transporte por carretera en Gran Bretaña, y durante 30 años impidió prácticamente cualquier intento de desarrollar vehículos autopropulsados para el transporte por carretera.

Ferrocarril

Hacia 1830, poco después de que la línea de ferrocarril de Stephenson empezara a dar servicio en Inglaterra, había en Estados Unidos 1.767 Km. de ferrocarriles de vapor. En 1839, el trazado se había incrementado hasta 8.000 Km. y desde 1850 hasta 1910 el crecimiento del ferrocarril fue espectacular. La construcción del ferrocarril estimulaba en gran parte la colonización y el desarrollo del Oeste. El primer ferrocarril de Estados Unidos fue establecido en 1827, si bien el verdadero desarrollo se inició el 4 de julio de 1828, con el Ferrocarril entre Baltimore y Ohio.
La implantación del ferrocarril en España fue relativamente rápida. En parte estuvo estimulado por la carencia de vías fluviales de navegación interior, a diferencia de otros países del entorno. La primera línea ferroviaria fue inaugurada en 1848 entre las ciudades de Barcelona y Mataró. Hacia 1870 ya se contaba con una red que era la tercera de Europa en extensión, tras Inglaterra y Francia. No obstante, la decisión tomada en 1844 de dotar de un ancho de vía a la red española de ferrocarril distinto al del continente europeo aisló a España del resto del continente por este modo de transporte.

Después de un siglo de explotación privada del ferrocarril, en 1941 se crea la Red de Ferrocarriles Españoles (RENFE), compañía de carácter estatal para la explotación de una gran parte del trazado ferroviario.

En las últimas décadas, la mejora de la infraestructura viaria y el incremento de la motorización de las familias y las empresas ha supuesto una disminución acusada en el número de viajeros y de mercancías transportadas por el tren. Sin embargo, la implantación de servicios de alta velocidad en los últimos años ha supuesto una considerable recuperación de viajeros en trayectos muy concretos de la red.


A partir de 1850 este modo de transporte comenzó su expansión en América Latina. La red ferroviaria —financiada por capital francés, inglés o estadounidense—, si bien benefició el transporte de mercancías y pasajeros, fue diseñada generalmente respondiendo a las necesidades comerciales de sus propietarios y países de origen y no atendiendo a las necesidades de los países latinoamericanos. En Argentina, las líneas férreas tenían sus terminales en las ciudades portuarias: Buenos Aires y Bahía Blanca, en el litoral, y Rosario, en el río Paraná. Lo mismo ocurrió en la ciudad uruguaya de Montevideo. En Brasil, la red ferroviaria se extendía a través de la meseta de São Paulo, dado que allí se concentraba la producción del preciado café.

El caso mexicano es paradójico, dado que los mismos ferrocarriles utilizados para el transporte de productos terminaron siendo, a principios de siglo, la base fundamental del transporte de los revolucionarios de Emiliano Zapata.
Fue por 1945 cuando los ferrocarriles comenzaron a ser deficitarios, dando paso al transporte por carretera, tanto de pasajeros como —y sobre todo— de mercancías. De este modo, y ya no resultándoles beneficiosos a sus dueños, casi todo el sistema ferroviario de Latinoamérica fue estatizado, muchas veces bajo un falso discurso nacionalista.

TRANSPORTE DE VAPOR AEREO

La idea del vuelo con aparatos propulsados por reacción es mucha más antigua de lo que podemos suponer. Aún antes de que Newton enunciara su famosísima ley, un filosofo alejandrino -Heron- la empleo para hacer girar su "eolipila", una esfera hueca que recibía  la presión del vapor obtenido de una caldera. El vapor se producía en uno de los soportes del eje de la esfera y salía por dos toberas tangenciales, cuya reacción originaba una cupla que la obligaba a girar. Si bien este dispositivo no pasó de ser un juguete con mucha inventiva, esbozó en su tiempo uno de los descubrimientos más rentables de la humanidad. En cambio, el que si penso en la utilidad de las turbinas (del latín turbinis, remolino) para producir trabajo fue el italiano Giovanni Branca, quien en 1629 ideo un dispositivo para la molienda que se basaba en una rueda de paletas accionadas por un chorro de vapor. El giro era transformado mecánicamente en movimientos alternativos, y se lo aprovechaba para moler los granos en varios morteros.

Uno de los sueños más viejos del hombre ha sido el de volar y es así como inicia una búsqueda constante para inventar aparatos que le permitan surcar los aires.
Lilienthal, inspirándose en los pájaros, creo un planeador con línea aerodinámica que se utilizan en la actualidad para los mismos aviones.
También Leonardo Da Vinci que fue precursor de la creación de aeronaves. El primer vuelo con motor fue realizado por los hermanos Orville y Wilbur Wright, el 17 de Diciembre de 1903 que duro solamente 12 segundos.

En 1700 fue cuando se experimento utilizando globos más ligeros que el aire y así se invento el globo aerostático. Fue tanto el auge de los globos elevados por Hidrogeno que se creo un globo de pasajeros, pero a lo inseguro de este medio de transporte en la actualidad se utiliza como medio de diversión.
Surgen en la primera guerra mundial, pero en la segunda guerra mundial es cuando se lleva a su limite a los aviones propulsados por hélice.
Hoy en día a sido suplantado por el avión propulsado por el motor de propulsión a chorro.
El Helicóptero, alcanza su perfeccionamiento en la segunda guerra mundial, ahora sirve como eficaz medio de transporte y servicio en las grandes ciudades debido a que la mayoría de edificios y hoteles cuentan con ellos.

ANEXOS

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Conclusión

Algunos de los medios de transporte turístico de vapor en la actualidad son el Tren de vapor turístico en la localidad gipuzkoana de Legazpi, la Fundación Lembur está recuperando los vestigios del hierro que tanta importancia tuvo en el desarrollo de la población, como las instalaciones de las minas junto a lo hornos de calcinación del alto de Aduna y la Ferrería de Mirandaola principalmente

En el proyecto planteamos disponer de las piezas necesarias para poner en marcha un tren turístico de importancia internacional, pues se dispone de la máquina de vapor originaria de la línea, ubicada actualmente en el Museo Vasco del Ferrocarril de Azpeitia, de un coche de madera construido en 1926 y de un vagón J de 1955 que se encuentran en Irún y lo que es fundamental de una línea de dos anchos, de anchos RENFE y métrico, propiedad de la empresa Patricio Echeverría S.A. y actualmente en desuso, que tiene enlace con la estación de ferrocarril de Zumárraga, donde efectúan parada trenes de Cercanías, Regionales y Grandes Líneas de RENFE.

Tren Turístico de la Sabana

Máquina de vapor

Uno de los más interesantes planes turísticos que ofrece la Capital es el Turistren de la Sabana. Sus vagones son impulsados por una locomotora de vapor de 1947.
En su interior se puede disfrutar de una típica comida en el vagón restaurante hasta una folklórica banda Papayera.
El paisaje sabanero observado en movimiento es único.

Máquina de vapor
La ruta comprende Bogotá - Nemocón.

Se trata de una vieja formación que data de principios de siglo, con un máquina escocesa a vapor, una verdadera reliquia, y 20 vagones, entre ellos uno con categoría presidencial.

El viejo tren de 1912 ha sido remodelado respetando sus características originales.

Los siete vagones de época están construidos en madera y pueden transportar un total de 250 pasajeros. Es una verdadera obra de arte sobre ruedas que fue rescatada por el Ferroclub Argentino, entidad que ya cuenta con seis formaciones de este estilo recuperadas de un parque de trenes abandonados que posee el estado nacional.

La locomotora, según los expertos la verdadera joya de este tren, es de origen escocés, desarrolla una velocidad de hasta 100 km/h y puede arrastrar hasta 1200 toneladas. Durante los años 20 prestó servicios en al antiguo Ferrocarril San Martín, que unía Buenos Aires con la provincia de Mendoza.

La formación se completa con dos coches de clase turista, uno presidencial, dos coches comedor y un furgón de cola. Otro furgón funcionará como taller rodante.

El vagón presidencial, que será utilizado como servicio VIP, tiene tres dormitorios, sala de estar, baño con bañera y una estufa a leña en el centro del estar.

La clase turista conserva sus asientos de madera, con tapizado de pana, la grifería de bronce en los baños, las elegantes tulipas de la época y los herrajes en hierro en las viejas ventanillas a guillotina.

Hay detalles encantadores que los restauradores han tenido muy en cuenta. Por ejemplo, en uno de los baños que se encuentra en el vagón especial de servicio VIP, puede leerse una leyenda tallada a navaja en la madera que dice "Viva Yrigoyen", lo que deja al descubierto la antigüedad de los coches.