- Tipus principals de màquines de vapor
- 1- Màquines d'èmbol
- 2- Motors d'expansió múltiple
- 3- Motor Uniflow o de flux uniforme
- 4- Turbines de vapor
- 5- Motors de propulsió
- referències
Els diferents tipus de màquines de vapor han experimentat molts canvis al llarg de la història i contínuament la tecnologia ha permès que aquestes evolucionin de manera notable.
Essencialment, les màquines de vapor són motors de combustió externa que converteixen l'energia tèrmica de el vapor d'aigua en energia mecànica. S'han utilitzat per impulsar bombes, locomotores, vaixells i tractors, sent en el seu moment essencials per a la Revolució Industrial. Actualment s'utilitzen per a la generació d'energia elèctrica utilitzant turbines de vapor.
Una màquina de vapor consisteix en una caldera que s'utilitza per bullir aigua i produir vapor. El vapor s'expandeix i empeny un pistó o una turbina, el moviment fa la feina de girar les rodes o d'impulsar una altra maquinària.
La primera màquina de vapor la va idear Heró d'Alexandria al segle I i portava per nom eolípila. Consistia en una esfera buida connectada a una caldera a la qual se li adossaven dos tubs corbs. L'esfera estava plena d'aigua que es feia bullir, provocant que el vapor fos expulsat pels tubs a gran velocitat, fent girar la bola.
Tot i que la eolípila no tenia una finalitat pràctica, sense dubtes representa la primera implementació d'el vapor com a font de propulsió.
Eolipia d'Heró
No obstant això, la majoria dels sistemes que utilitzen vapor es poden dividir en dos tipus: les màquines d'èmbol i les turbines de vapor.
Tipus principals de màquines de vapor
1- Màquines d'èmbol
Les màquines d'èmbol utilitzen vapor pressuritzat. A través de pistons de doble efecte, el vapor pressuritzat entra alternativament a cada costat mentre que per l'altre s'allibera o s'envia a un condensador.
L'energia és absorbida per una barra de lliscament segellada contra la fuita de vapor. Aquesta vareta, al seu torn, acciona una biela connectada a una maneta per convertir el moviment alternatiu en moviment rotatori.
A més, s'utilitza una altra maneta per accionar l'engranatge de la vàlvula, usualment a través d'un mecanisme que permet la inversió de el moviment rotatori.
Quan es fa servir un parell de pistons de doble efecte, l'avanç de la maneta està desplaçat en un angle de 90 graus. Això assegura que el motor sempre funcionarà, sense importar en quina posició estigui la maneta.
2- Motors d'expansió múltiple
Un altre tipus de màquina de vapor utilitza diversos cilindres d'acció simple que incrementen el seu diàmetre i moviment progressivament. El vapor d'alta pressió de la caldera s'utilitza per impulsar el primer pistó de menor diàmetre cap avall.
En el moviment ascendent, el vapor parcialment expandit és accionat dins d'un segon cilindre que està començant el seu moviment descendent. Això genera una expansió addicional de la pressió relativament alta alliberada en la primera càmera.
Així mateix, la cambra intermèdia descàrrega fins a la cambra final, que al seu torn s'allibera a un condensador. Una modificació d'aquest tipus de motor, incorpora dos pistons més petits en l'última cambra.
El desenvolupament d'aquest tipus de motor era important per al seu ús en bucs de vapor, ja que el condensador, a l'recuperar una mica de la potència, convertia novament el vapor en aigua per a la seva reutilització en la caldera.
Les màquines de vapor terrestres podrien esgotar gran part del seu vapor i ser emplenades d'una torre d'aigua dolça, però al mar això no era possible.
Abans i durant la Segona Guerra Mundial, el motor d'expansió s'utilitzava en vehicles marins que no necessitaven anar a gran velocitat. No obstant això, quan va ser requerida més velocitat, va ser reemplaçat per la turbina de vapor.
3- Motor Uniflow o de flux uniforme
Un altre tipus de màquina d'èmbol és el motor Uniflow o de flux uniforme. Aquest tipus de motor utilitza vapor que només flueix en una direcció en cada meitat de l'cilindre.
L'eficiència tèrmica s'aconsegueix tenint un gradient de temperatura al llarg de l'cilindre. El vapor sempre entra pels extrems calents de l'cilindre i surt per unes obertures al centre de l'refredador.
Això es tradueix en una reducció de l'escalfament i refredament relatius de les parets de l'cilindre.
En els motors Uniflow, l'entrada de vapor sol ser controlada per vàlvules de tija (que funcionen de forma similar a les usades en motors de combustió interna) que són accionades per un arbre de lleves.
Les vàlvules d'entrada s'obren per admetre el vapor quan s'arriba al volum d'expansió mínim a l'inici de el moviment.
En un moment específic de la volta de la manovella, entra el vapor i es tanca l'entrada de l'casquet, permetent l'expansió contínua de vapor, accionant el pistó.
A la fi de el moviment, el pistó descobrirà un anell d'orificis d'escapament al voltant de centre de l'cilindre.
Aquests orificis estan connectats a l'condensador, baixant la pressió a la cambra causant un alliberament ràpida. La rotació contínua de la maneta és el que mou a el pistó.
4- Turbines de vapor
Les turbines de vapor d'alta potència utilitzen una sèrie de discos giratoris que contenen una mena de pales tipus hèlix en la seva vora exterior. Aquests discos mòbils o rotors s'alternen amb anells estacionaris o estatores, fixats a l'estructura de la turbina per redirigir el flux de vapor.
A causa de l'alta velocitat d'operació, tals turbines estan normalment connectades a un engranatge de reducció per accionar un altre mecanisme tal com una hèlix d'un vaixell.
Les turbines de vapor són més duradores i requereixen menys manteniment que les màquines d'èmbol. També produeixen forces de rotació més suaus en el seu eix de sortida, el que contribueix a menors requeriments de manteniment i menor desgast.
El principal ús de les turbines de vapor és a les estacions de generació d'electricitat on la seva alta velocitat d'operació és un avantatge i el seu volum relatiu no és un desavantatge.
També s'utilitzen en aplicacions marines, impulsant vaixells grans i submarins. Pràcticament totes les centrals nuclears generen electricitat mitjançant l'escalfament d'aigua i l'alimentació de turbines de vapor.
5- Motors de propulsió
Hi ha un motor de propulsió submarí que utilitza vapor d'alta pressió per atreure aigua a través d'una presa a la part davantera i expulsar-a alta velocitat per la part posterior.
Quan el vapor es condensa en l'aigua, es crea una ona de xoc que expulsa l'aigua per darrere.
Per millorar l'eficiència de l'motor, el motor atreu aire a través d'un respirador davant de l'raig de vapor, el que crea bombolles d'aire i canvia la forma en què el vapor es barreja amb l'aigua.
referències
- Marshall Brain (2017). "How Steam Engines Work". Recuperat el 14 de juny de 2017 a science.howstuffworks.com.
- New World Encyclopedia (2015). "Steam engine". Recuperat el 14 de juny de 2017 a newworldencyclopedia.org.
- SOS Children (2008-2009). "Steam engine". Recuperat el 14 de juny de 2017 a cs.mcgill.ca.
- Woodford, Chris (2017). "Steam engines". Recuperat el 14 de juny de 2017 a explainthatstuff.com.