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11 MAQUINAS DE VAPOR-MOTOR A VAPOR
En la unidad anterior de describió el ciclo de vapor Rankine parala generación de potencia a partir del vapor generado en
una caldera. En el ciclo se menciona un elemento que genera trabajo el cual es la turbina, sin embargo, antiguamente los
primeros ciclos de potencia se usaban motores de vapor para la generación del trabajo en el eje, a medida que avanzo los
estudios surgió la turbina que dejo de lado muchas de los motores a vapor por las ventajas de la turbina sobre el motor. Por
lo que en esta unidad trataremos a estos motores, que actualmente siguen siendo utilizados en algunas centrales de vapor.
James Watt invento la maquina a vapor en el año 1976, estas maquinas a vapor han sido usadas como agente motor para
realizar los diferentes tr4abajos que se necesitaban, muchas de estas maquinas de vapor llamadas motores a vapor fueron
perdiendo terreno frente a las turbinas de vapor. De las maquinas de vapor que se mantuvieron hasta la actualidad en los
procesos tenemos diferentes tipos y os podemos clasificar según su distribución de vapor:
• Maquina con distribución por corredera plana.
• Maquina con distribución por pistones.
• Maquina Corliss de cuatro llaves, con amortiguador.
• Maquina Corliss de cuatro llaves, sin amortiguador.
• Maquina equicorriente con llaves Corliss.
• Maquina equicorriente con distribución por válvulas.
11.1 MOTOR A VAPOR-FUNCIONAMIENTO
Para entender un poco el motor a vapor, explicaremos primeramente el ciclo de vapor necesario para el uso de los motores
a vapor, para ello nos referiremos a la Figura 11-14.
Figura 11-1
El funcionamiento de este motor consiste en generar vapor a una determinada presión y hacerlo circular por componentes
que me permitan convertir la energía térmica del vapor en energía mecánica en un eje. Para la explicación del
funcionamiento y de las partes nos basaremos en la Figura 11-1.
El agua en estado líquido entra a la caldera donde pasa por un proceso que lo lleva al estado de vapor (Por lo general es
vapor saturado) mediante el aporte de calor dado por una fuente caliente o por medio de la combustión de algún combustible,
este vapor generado en la caldera se dirige a lo que es el motor a vapor.
El motor consiste en un cilindro-embolo, donde el cilindro tiene una entrada y salida en donde se encuentran válvulas que
permiten la entrada y salida de vapor al recinto y además permitir generar un espacio cerrado para la expansión del vapor.
El embolo que es el elemento móvil esta solidario a un extremo de una biela y en el otro extremo tenemos otra biela unidos
por medio de un punto pívot que se conecta a lo que seria el eje de salida de forma excéntrica, conocido como cigüeñal. Por
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lo tanto, en el proceso de expansión, la biela posee un movimiento lineal, pero al estar conectado de forma excéntrica al
cigüeñal, provoca un par generando así un movimiento rotacional en el cigüeñal. Solidaria al eje de rotación tenemos una
rueda, conocida con volante de inercia, que tiene la finalidad de hacer lo mas suave al movimiento, ya que como vemos, el
momento no es contante a lo largo de una vuelta, el volante acumula energía durante la carrera de trabajo y la devuelve de
al sistema para mantener lo mas estable posible la velocidad del cigüeñal.
Al final de la expansión se abre la válvula de salida y el vapor se envía a un condensador para llevarlo al estado liquido
nuevamente y poder ingresarlo a la caldera nuevamente para que cumpla su ciclo. En condensador no es mas que un
intercambiador de calor donde circula un fluido que puede ser agua de refrigeración o simplemente aire, y por medio de
conductos hacemos circular el vapor.
El ciclos del motor a vapor que ocurre dentro del cilindro lo observamos en la Figura 11-14. Que no es igual al ciclo del
vapor, este es un ciclo de Rankine.
Figura 11-2
Como se vio, la transformación de la energía térmica del vapor en energía mecánica se da en el motor a vapor, este posee
un sistema cilindro embolo donde ingresa primeramente el vapor a presión constante e igual a la presión de la caldera
mientras la válvula de entrada permanece abierta y la válvula de salida esta cerrada. En esta etapa hay un aumento de
volumen en la cámara debido a que aumenta la masa de vapor dentro del recinto, y como la presión se mantiene constante,
el volumen ocupado aumenta. Una vez que se cierra la válvula de entrada, dentro del recinto queda vapor a una determinada
presión que es igual a la presión de la caldera y que es mayor a la presión atmosférica que sujeta al embolo (Presión que
reina en la cara del embolo en contactó con el ambiente) por lo que el vapor experimenta un proceso de expansión,
aumentando su volumen especifico y reduciendo la presión. Esto representa el proceso 2-3 de la Figura 11-14.
La expansión que sufre el vapor en el recinto, por las leyes de la termodinámica puede estar entre dos extremos, una
expansión adiabática o una expansión isotérmica. Un proceso de expansión adiabático conlleva a que no se tenga ninguna
perdida de calor con el ambiente, lo que lleva a tener una aislación perfecta entre el fluido que se expanda o realizarlo de
una forma muy rápida, ya que sabemos que para que exista una transferencia de calor es necesario tener tiempo, si se limita
este, las perdidas se reducen. El otro extremo es hacerlo de forma isotérmica, es decir que durante el proceso de expansión
tenga un gran flujo de calor que garantice que la temperatura durante el proceso se mantenga contante. Ahora bien, también
podemos hacer una expansión entre estos limites y que sea por medio de una politrópica.
En forma ideal los procesos de expansión se pueden modelar por medio de una Adiabática o una Isotérmica, pero para ello
se deben dar las condiciones de cada caso, sin embargo, lo mas deseable seria obtener una expansión adiabática ya que esta
me aporta el máximo trabajo. Ahora bien, para cumplir una adiabática debemos hacerlo de forma muy rápida o de alguna
manera aislar el fluido con el cilindro para evitar las pérdidas de calor. Uno de los problemas que se presenta acá es que la
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expansión del vapor para estas aplicaciones no es de alta velocidad, sino que son relativamente bajas y pensar en asilar el
recinto es prácticamente imposible, ya que los materiales con los que se construyen los cilindros son conductores de calor.
Por lo que en la realidad los procesos de expansión se pueden explicar por una politrópica y con avances de estudios tratar
de llegar a las condiciones de máximo trabajo.
De una maquina de vapor tenemos las siguientes características:
• Hablando de términos de rendimientos, cuando el vapor de salida del cilindro tiene un valor comercial, es decir, lo
puedo utilizar para alimentar un proceso de producción como ser secado, el rendimiento del motor se comporta
favorablemente frente a lo que seria una turbina de vapor bajo las mismas condiciones.
• La alta presión se adapta muy bien a lo que son las maquinas de vapor ya que el recinto en donde se produce el
proceso de expansión se puede sellar adecuadamente mediante empaques y anillos. En cambio, trabajar con las
maquinas de vapor a presiones bajas presenta una desventaja, el vapor a bajas presiones tiene dificultades para
moverse rápidamente por las lumbreras para el ingreso del mismo.
• Estas máquinas de vapor se adaptan muy bien a cargas variables, por lo que en algunas industrias en donde la carga
es muy variable, el motor a vapor, en principio, es la opción más económica.
• El uso de los motores a vapor es por lo general de baja potencia, ya que cuentan con varias piezas móviles, la
potencia no se genera en forma rotacional directa, sino que hay que transformar un movimiento lineal en rotacional,
entre otros aspectos que limitan la potencia máxima que podría entregar frente a lo que seria una turbina de vapor.
11.2 PARTES CONSTRUCTIVAS DEL MOTOR A VAPOR
Las partes constructivas del motor son prácticamente iguales para todos los tipos, sin embargo existen algunas diferencias
notables, principalmente en las válvulas que controlan el ingreso y salida del vapor al cilindro, en la Figura 11-14 se
presenta un motor a vapor de tipo corredera plana.
Figura 11-3
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Este motor en particular es de doble efecto, es decir puedo realizar trabajo de ambos lados del embolo-pistón, lo que permite
tener al final un movimiento mas uniforme y una cupla mas lineal a lo largo de una vuelta de cigüeñal.
En la figura vemos que la entrada y salida del vapor esta controlada por una válvula de tipo corredera plana que esta
coordinada con el eje permitiendo la apertura y cierre de la entradas y salidas. En un determinado momento la corredera
deja abierto el conducto de la admisión dejando entrar vapor a la cámara 1, durante este tiempo el embolo se desplaza y
provoca que la corredera de desplace y en un determinado momento posterior cerra el recinto permitiendo la expansión del
vapor. Durante esa carrera de expansión en la otra cámara se procede el barrido del vapor que ya se expandió previamente,
por lo que la corredera está dejando abierto el conducto de salida de la cámara 2. Esta salida de vapor lo hace por una ranura
que tiene tallado la corredera, lo que provoca la conexión del conducto de salida de la cámara 2 con ducto de salida general.
Un elemento importante presente es el regular de velocidad de watt, el mismo es un dispositivo que gira respecto al cigüeñal
y tiene dos contrapesos que rotan con él, Si la velocidad sube, por fuerza centrifuga los contrapasos se elevan, con ello
controlan el flujo de vapor que ingresa a las cámaras y de esta manera se mantiene la velocidad constante.
En la Figura 11-14 tenemos otro motor a vapor, en general las partes son similares, pero este motor tiene diferente forma
de la válvula de entrada y salida de vapor, en este caso se trata de válvulas rotativas. Además de ello este motor tiene las
lumbreras separas, es decir la entrada y salida de vapor no son en el mismo punto.
Figura 11-4
11.3 CAPACIDAD Y RENDIMIENTO
Si la expansión fuera adiabática, es decir, sin adición ni perdidas de calor, tendríamos la maquina ideal, en estas condiciones
se tendería una expansión isoentrópica y se estaría aprovechando el máximo trabajo disponible, sin embargo, en la realidad
esto no ocurre, sino que la expansión se hace a entropía creciente, resultando menos calor convertido en trabajo. Esto se
traduce que el proceso de expansión termina con un rendimiento isoentrópico, esto lo podemos observar en la Figura 11-14.
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Figura 11-5
Para conseguir una información exacta acerca del rendimiento de las máquinas de vapor, se suelen usar diagramas que se
obtienen con aparatos llamados “Indicadores”, cuyo elementos se encuentran representados en la Figura 11-6. Un soporte
lleva un tambor registrador en un extremo, y en el otro extremo se encuentra el cilindro del muelle del indicador. La presión
del vapor desde el extremo del cilindro de la maquina levanta el embolo del indicador, comprime el muelle y mueve la biela
del estilete. La articulación de esta va dispuesta de tal manera que el estilete se desplaza verticalmente. Cuando la presión
del cilindro varie a lo largo de la carrera, y un cordel arrollado al tambor y enlazado a un reductor del movimiento hace
girar al tambor proporcionalmente a la carrera del embolo de la máquina, con lo que quedara marcado en el papel, arrollado
al tambor, un diagrama curvilíneo de presiones y carreras. El muelle de torsión genera un movimiento opuesto al del
cigüeñal en la carrera de barrido para poder construir el diagrama “Presión-carrera”.
Figura 11-6
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En la Figura 11-7 se presenta una diagrama típico de presiones-carrera de una máquina de vapor de simple efecto. En
primera instancia vemos que el diagrama difiere con el diagrama ideal presentado en la Figura 11-2, mismo que se encuentra
también representado en la Figura 11-7. Primeramente, vemos que tenemos los bordes redondeados, esto ocurre porque,
tanto la apertura como el cierre de la válvula no es posible que sea de forma instantánea, sino que se requiere un tiempo y
unos ángulos de giro, ya que recordemos que esto esta sincronizado en con el cigüeñal; Vemos también que la presión de
salida es un poquito mayor a la del condensador, esto se debe a que se debe garantizar el barrido del vapor. Otra diferencia
fundamental es que tenemos un proceso de compresión de vapor, esto tiene una explicación, se empieza a cerrar la válvula
de escape antes de que el embolo llegue al punto muerto superior, con el vapor que queda se comprime para que al abrir la
válvula de admisión no sea tan grande el salto de presión, es decir, se amortigua el salto de presión
Figura 11-7
Con el indicador tenemos una representación real de los puntos característicos del motor en funcionamiento en un ciclo del
embolo. Ahora bien, un parámetro que se debe analizar, estudiar y tratar de obtener es el comportamiento del rendimiento
para el estado de carga. Una manera de obtener información útil sobre el rendimiento mecánico del motor es realizando un
ensayo llamado “Prueba al freno”, que básicamente consiste en acoplar al motor un freno de carga que actúa como una
carga variable y poder medir el consumo de vapor y obtener la potencia efectiva y la potencia indicada y con ello el
rendimiento mecánico del motor.
Medir el consumo de vapor lo hacemos midiendo al caudal de vapor condensado después de la expansión, es decir, el vapor
condensado lo llevamos a una balanza y lo pesamos por unidad de tiempo.
La potencia real de la maquina al freno la podemos medir, ya que al ser un ensayo y tener el freno estamos sabiendo que
fuerza se esta aplicando, por 3ra ley de Newton el motor ejercerá una fuerza igual y contraria, con lo que podemos cáncer
la cupla que se genera y por las rpm determinamos la potencia efectiva del motor al freno (potencia efectiva). La potencia
indicada (Corresponde a la potencia real que se puede sacar al ciclo) la podemos conocer en función de los parámetros de
trabajo del motor, que seria, presión media efectiva, volumen de barrido y las rpm, por lo que la potencia indicada la
podemos conocer fácilmente midiendo estos parámetros, con lo que el rendimiento será como:
𝜂𝑚𝑒𝑐𝑎𝑛𝑖𝑐𝑜 =
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎
11-1
Haciendo variar la carga desde cero hasta la carga nominal del motor tendremos la variación del rendimiento a lo largo del
porcentaje de carga nominal, tal como se observa en la Figura 11-8.
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Figura 11-8
Las curvas de la Figura 11-8 se hacen evidente que el rendimiento mecánico aumenta rápidamente a medida que se aumenta
la carga, alcanzando, aproximadamente a media carga el 90% del rendimiento a plena carga. Los rendimientos a plena carga
de estas máquinas son elevados y dependen del tipo de maquina pero se presentan algunos valores en laFigura 11-9.
Figura 11-9
11.3.1 TRABAJO GENERADO
En la Figura 11-7 se exhibe una representación del ciclo ideal en trazos finos y en trazos mas gruesos el ciclo real, al ser
un diagrama P-V el área encerrada por el ciclo representa el trabajo que se obtiene del ciclo, es mas que evidente que en
forma ideal el trabajo obtenido seria mayor que el caso real. En el apartado anterior se presento mediante un ensayo la forma
de obtener la potencia indicada y la potencia efectiva del motor y así conocer su rendimiento mecánico.
Recordemos que la potencia indicada es la potencia que se podría extraer del ciclo real, es decir bajo el ciclo ideal de la
Figura 11-7 (Área del ciclo por las rpm). Llevándolo a términos de trabajo, el trabajo ideal esta dado por las condiciones
del ciclo (Presión, volumen, expansión), mientras que el trabajo real o indicado del ciclo esta dado por una eficiencia
isoentrópica dada por las características de la expansión y, además, de las características del propio motor sobre las aperturas
y cierre de válvulas que hacen que el trabajo disminuya.
Figura 11-10
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Si relacionamos estos trabajos surge el “Factor de diagrama” que me indica cuanto me alejo de la expansión ideal adiabática
e isoentrópica. Este factor esta tabulado en función de las diferente maquinas que surgieron y se basan en los ensayos
mencionados anteriormente con el indicador, los mismos están presentados en la Figura 11-14.
Como se mencionó, el trabajo es el área encerrada por el ciclo, por lo que para hacerlo más practico surge el concepto de
“presión media indicada (p.m.i)” que es una presión que al relacionarlo con el volumen del barrido del embolo en la
expansión del vapor, genera un trabajo igual al trabajo ideal del ciclo.
Ahora bien, este trabajo sería el trabajo ideal por la expansión adiabática, por lo que para obtener el trabajo indicado (11-2).
𝑊𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 𝑝. 𝑚. 𝑖 ∗ 𝑉𝑒𝑥𝑝𝑎𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 11-2
En cambio, el trabajo indicado será por una “presión media efectiva (p.m.e)” y el mismo volumen de barrido.
𝑊𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 = 𝑝. 𝑚. 𝑒 ∗ 𝑉𝑒𝑥𝑝𝑎𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 11-3
Estas presiones medias están relacionadas por el factor de diagrama de la forma:
𝑝. 𝑚. 𝑒 = 𝐹𝑑 ∗ 𝑝. 𝑚. 𝑖 11-4
Donde 𝐹𝑑 es el factor de diagrama que lo tenemos tabulado.
Para hacerlo mas claro, en la Figura 11-14 se presenta los trabajos ideales e indicados de un ciclo.
Figura 11-11
La potencia indicada será entonces como:
𝑃𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 = 𝑊𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 ∗ 𝑛 11-5
Y la potencia efectiva, que seria la que tenemos en el eje esta relacionado con el rendimiento mecánico de la máquina.
𝑃𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎 = 𝑃𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 ∗ 𝜂𝑚 11-6
En las expresiones anteriores se presenta el calculo para el trabajo haciendo una presión por un volumen de barrido, este
volumen, como se mencionó no es todo el volumen de la carrera, por lo que haremos una descripción de los volúmenes
presentes y sus relaciones, Figura 11-14.
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Figura 11-12
Por cuestiones mecánicas, el embolo no puede llegar a generar un volumen cero en el punto muerto superior, por lo que
existe un volumen de espacio muerto. Ahora el embolo en su recorrido genera un barrido de un volumen que llamamos
“Volumen de barrido” que se divide en dos etapas, primeramente, tenemos la admisión, es cuando ingresa el vapor a la
cámara, en esta etapa tenemos una carrera que genera un volumen llamado “Volumen de admisión”, una vez que se cierra
la válvula de admisión se produce la carrera de trabajo de expansión, por lo que tenemos un volumen de expansión, este es
el volumen que nos da trabajo por la presión media.
La relación entre el volumen de admisión y el volumen total barrido es lo que se denomina grado de admisión, este es un
parámetro que se estudia en los motores para ver el comportamiento del trabajo generado.
𝐺𝑎 =
𝑉𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛
𝑉𝑏𝑎𝑟𝑟𝑖𝑑𝑜
11-7
11.3.2 ANÁLISIS DEL GRADO DE ADMISIÓN
Como ya sabemos el grado de admisión es la relación del volumen de admisión y el volumen barrido, lo que en forma
gráfica significa la ubicación del punto 2 de la Figura 11-14 con los parámetros fijos de presión de caldera, volumen de
espacio muerto y volumen de cilindro (Volumen de espacio muerta más volumen de barrido).
Si se varia este grado de admisión tal como se observa en la Figura 11-14, tendremos un desplazamiento del punto 2 y con
ello vemos una modificación del área de trabajo.
Si se realiza una grafica variando el grado de admisión entre 0 y 1, y observamos el comportamiento del trabajo indicado
veremos que a medida que sube el grado de admisión el trabajo indicado también sube, ya que tenemos mayor área del
ciclo. Para valore de 𝐺𝑎 bajos, la expansión termina con una presión menor a la que tenemos en el condensador, por lo que
el vapor por si solo no saldrá, sino que tendremos que realizar un trabajo para forzar la salida del vapor de la cámara. Estas
variaciones se presentan en la Figura 11-14.
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Figura 11-13
Figura 11-14
