M??quina de vapor
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Una m??quina de vapor es un m??quina t??rmica que realiza trabajo mec??nico usando vapor como su fluido de trabajo.
El uso de agua hirviendo para producir movimiento mec??nico se remonta a unos 2.000 a??os, pero los dispositivos tempranos no fuera pr??ctico. Desde finales de la d??cada de 1700 las m??quinas de vapor se han convertido en una importante fuente de energ??a mec??nica. Las primeras aplicaciones estaban retirando agua de las minas. En 1781 James Watt patent?? una m??quina de vapor que produce el movimiento de rotaci??n continua. Estos motores 10hp permitieron una amplia gama de maquinaria de fabricaci??n para ser alimentado. Los motores pueden estar situados en cualquier lugar que el agua y el carb??n o le??a se pudieron obtener. Dentro de un siglo, en 1883, los motores que podr??an proporcionar 10.000 hp eran factibles. Los motores de vapor tambi??n podr??an aplicarse a los veh??culos tales como motores de tracci??n y la locomotoras que son com??nmente llamados simplemente m??quinas de vapor fuera de Am??rica. La m??quina de vapor estacionario fue un componente importante de la Revoluci??n Industrial , la superaci??n de las limitaciones impuestas por la escasez de sitios adecuados para el molino de agua y permitir que las f??bricas para localizar d??nde estaba el poder del agua disponible.
Hoy turbinas de vapor generan aproximadamente el 90% de la de energ??a el??ctrica en los Estados Unidos usando una variedad de fuentes de calor.
Las m??quinas de vapor son motores de combusti??n externa, donde el fluido de trabajo es independiente de los productos de la combusti??n. Fuentes de calor sin combusti??n, tales como la energ??a solar, la energ??a nuclear o la energ??a geot??rmica puede ser utilizado. El ciclo termodin??mico ideales utilizado para analizar este proceso se le llama Ciclo Rankine. En el ciclo de agua se calienta en vapor en una caldera hasta que alcanza una alta presi??n. Cuando se expande a trav??s de pistones o turbinas, trabajo mec??nico se hace. El vapor a baja presi??n se condensa y se bombea de vuelta a la caldera.
En el uso general, la m??quina de vapor t??rmino puede referirse a cualquiera de las plantas de vapor integrados (incluidas las calderas, etc.) como de ferrocarril locomotoras de vapor y motores port??tiles, o pueden referirse a la maquinaria de pist??n o turbina sola, como en el motor de viga y m??quina de vapor estacionaria. Dispositivos especializados como martillos de vapor y vapor martinetes dependen de vapor suministrado desde una separada caldera.
Historia
Desde principios del siglo 18, la energ??a de vapor se ha aplicado a una variedad de usos pr??cticos. En un principio se aplica a las bombas de pist??n, pero a partir de la d??cada de 1780 los motores rotativos (es decir, aquellos conversi??n movimiento alternativo en movimiento rotativo) comenz?? a aparecer, conduciendo maquinaria de la f??brica como mulas de hilado y telares mec??nicos. A la vuelta del siglo 19, el transporte de vapor en el mar y la tierra comenz?? a hacer su aparici??n volviendo cada vez m??s dominante en el siglo avanzaba.
Las m??quinas de vapor se puede decir que han sido la fuerza motriz detr??s de la Revoluci??n Industrial y vio amplio uso comercial de maquinaria en f??bricas, talleres y minas de conducci??n; alimentaci??n estaciones de bombeo; y propulsar aparatos de transporte, como locomotoras, barcos y veh??culos todo terreno. Su uso en la agricultura condujo a un aumento de las tierras disponibles para el cultivo.
El peso de las calderas y condensadores en general hace que el relaci??n potencia-peso de una planta de vapor inferior a la de motores de combusti??n interna. Para aplicaciones m??viles de vapor ha sido sustituida en gran parte por los motores de combusti??n interna o motores el??ctricos. Sin embargo la mayor??a de energ??a el??ctrica se genera utilizando vapor planta de turbina, por lo que indirectamente la industria mundial sigue dependiendo de la energ??a de vapor . Las recientes preocupaciones acerca de las fuentes de combustible y la contaminaci??n han incitado un renovado inter??s en vapor tanto como un componente de procesos de cogeneraci??n y como motor primario. Esto se est?? haciendo conocido como Movimiento Steam avanzada.
Los primeros experimentos
La historia de la m??quina de vapor se remonta hasta el siglo I dC; siendo la m??quina de vapor rudimentaria primero registrado la aeolipile descrito por Matem??tico griego Her??n de Alejandr??a. En los siglos siguientes, los pocos "motores" a vapor eran conocidos, como el aeolipile, dispositivos esencialmente experimentales utilizadas por los inventores para demostrar las propiedades de vapor. Un rudimentario dispositivo de turbina de vapor fue descrito por Taqi al-Din en 1551 y por Giovanni Branca en 1629. Jer??nimo de Ayanz y Beaumont recibi?? patentes en 1606 por cincuenta a vapor invenciones, incluyendo una bomba de agua para el drenaje de minas inundadas. Denis Papin, un refugiado hugonote, hizo alg??n trabajo ??til en el digestor de vapor en 1679, y la primera se utiliza un pist??n para levantar pesos en 1690.
Motores de bombeo
El primer dispositivo de vapor comercial fue una bomba de agua, desarrollado en 1698 por Thomas Savery. Se utiliza un vac??o para elevar el agua desde abajo, a continuaci??n, utiliza la presi??n de vapor para elevarlo m??s alto. Motores peque??os fueron efectivos aunque los modelos m??s grandes eran problem??ticas. Ellos s??lo demostr?? tener una altura de elevaci??n limitada y eran propensos a explosiones de calderas. Recibi?? alg??n uso en las minas, estaciones de bombeo y para el suministro de las ruedas de agua que se utilizan para maquinaria potencia textil. Una caracter??stica atractiva del motor de Savery era su bajo costo. Se continu?? fabricando hasta finales del siglo 18. Un motor todav??a era conocido para ser operativo en 1820.
El primer motor verdadero ??xito comercial fue la motor atmosf??rico, inventado por Thomas Newcomen alrededor de 1712. Se hizo uso de las tecnolog??as descubiertas por Savery y Papin. El motor de Newcomen era relativamente ineficiente, y en la mayor??a de los casos se utiliz?? para el bombeo de agua. Se trabaj?? mediante la creaci??n de un vac??o parcial por condensaci??n de vapor de agua bajo un pist??n dentro de un cilindro. Fue empleado para drenar las explotaciones mineras a profundidades hasta ahora imposibles, y tambi??n para proporcionar un suministro de agua reutilizable para la conducci??n ruedas hidr??ulicas en las f??bricas situadas lejos de una "cabeza" adecuado. El agua que hab??a pasado por encima de la rueda se bombe?? una copia de seguridad en un dep??sito de almacenamiento por encima de la rueda.
En 1720 Jacob Leupold describe un motor de vapor de alta presi??n de dos cilindros. La invenci??n se public?? en su obra principal "Theatri Machinarum Hydraulicarum". El motor utiliza dos pistones de plomo ponderado proporcionando un movimiento continuo a una bomba de agua. Cada pist??n fue planteada por la presi??n de vapor y vuelve a su posici??n original por la gravedad. Los dos pistones compartieron una v??lvula rotativa de cuatro v??as com??n conectado directamente a una caldera de vapor.
El siguiente paso importante se produjo cuando James Watt desarroll?? (1763-1775) una versi??n mejorada del motor de Newcomen, con un condensador separado. Boulton y principios de los motores de Watt medio utilizado tanto carb??n como Versi??n mejorada de John Smeaton de Newcomen de. Newcomen y principios de los motores de Watt eran "atmosf??rica". Fueron accionados por presi??n de aire empujando un pist??n en el parcial vac??o generado por condensaci??n de vapor, en lugar de la la presi??n de expansi??n de vapor. El motor cilindros ten??an que ser grandes debido a que la ??nica fuerza que act??a sobre ellos utilizable se debi?? a presi??n atmosf??rica.
Watt procedi?? a desarrollar su motor a??n m??s, modific??ndolo para proporcionar un movimiento de rotaci??n adecuado para conducir la maquinaria de la f??brica. Esto permiti?? a las f??bricas para estar situadas lejos de los r??os, y se aceleraron a??n m??s el ritmo de la Revoluci??n Industrial.
Alrededor de 1800 Richard Trevithick y, por separado, Oliver Evans en 1801 introdujo motores que utilizan vapor a alta presi??n; Trevithick obtuvo su patente del motor de alta presi??n en 1802. Estos eran mucho m??s potente para un tama??o de cilindro dado que los motores anteriores y podr??a hacerse lo suficientemente peque??o como para aplicaciones de transporte. A partir de entonces, los avances tecnol??gicos y las mejoras en las t??cnicas de fabricaci??n (en parte provocados por la adopci??n de la m??quina de vapor como fuente de energ??a) dieron como resultado el dise??o de motores m??s eficientes que podr??an ser m??s peque??o, m??s r??pido o m??s fuerte, dependiendo de la aplicaci??n prevista.
La Motor de Cornualles fue desarrollado por Trevithick y otros en la d??cada de 1810. Era un motor de ciclo compuesto que utiliza vapor de alta presi??n expansiva, despu??s se condensa el vapor de baja presi??n, por lo que es relativamente eficiente. El motor de Cornish ten??a movimiento irregular y el par motor, aunque el ciclo, lo que limita principalmente para el bombeo. Motores de Cornualles fueron utilizados en las minas y para el suministro de agua hasta finales del siglo 19.
Motor estacionario Horizontal
La M??quina de vapor Corliss, un motor de flujo de contador de cuatro v??lvulas con la admisi??n de vapor independiente y v??lvulas de escape y corte autom??tico variable de vapor, fue llamado el avance m??s significativo en la m??quina de vapor desde que James Watt. Adem??s de utilizar 30% menos vapor que proporciona la velocidad m??s uniforme, por lo que es muy adecuado para la fabricaci??n, especialmente de hilado de algod??n.
Motores marinos
Cerca del final de los motores compuestos siglo 19a entr?? en uso generalizado. Motores compuestos agotados vapor en los cilindros sucesivamente m??s grandes para dar cabida a los mayores vol??menes a presiones reducidas, dando una mayor eficiencia. Estas etapas se denominan expansiones, con motores dobles y triples de expansi??n siendo com??n, especialmente en el transporte mar??timo donde la eficiencia es importante para reducir el peso del carb??n realizado.
Las m??quinas de vapor sigue siendo la principal fuente de alimentaci??n hasta que a principios del siglo 20, cuando los avances en el dise??o de motores el??ctricos y motores de combusti??n interna resultaron poco a poco en la sustituci??n de los motores alternativos (pist??n) de vapor en el uso comercial, y el ascenso de las turbinas de vapor en la generaci??n de energ??a. Hoy en d??a m??s energ??a de vapor se proporciona por las turbinas.
Las locomotoras de vapor
A medida que el desarrollo de las m??quinas de vapor que avanzaba a trav??s del siglo 18, se hicieron varios intentos para aplicarlos a la carretera y el uso ferroviario. En 1784, William Murdoch, un escoc??s inventor, construy?? un prototipo carretera locomotora de vapor. Un modelo de trabajo a principios de una locomotora de ferrocarril de vapor fue dise??ado y construido por el pionero de barco de vapor John Fitch en los Estados Unidos probablemente durante la d??cada de 1780 o 1790. Su locomotora de vapor utiliza ruedas aplanados interiores guiadas por carriles o pistas.
La primera locomotora de vapor de ferrocarril de trabajo a gran escala fue construido por Richard Trevithick en el Reino Unido y, el 21 de febrero de 1804, primer viaje en tren del mundo se llev?? a cabo como locomotora de vapor sin nombre de Trevithick arrastr?? un tren a lo largo del tranv??a de la Herrajes Pen-y-darren, cerca Merthyr Tydfil a Abercynon en el sur de Gales . El dise??o incorpora una serie de innovaciones importantes que inclu??an el uso de vapor de alta presi??n que reduce el peso del motor y aumenta su eficiencia. Trevithick visit?? la zona de Newcastle despu??s en 1804 y la ferrocarriles mina de carb??n en el noreste de Inglaterra se convirti?? en el principal centro de experimentaci??n y desarrollo de las locomotoras de vapor. Trevithick continu?? sus propios experimentos usando un tr??o de locomotoras, concluyendo con la Atr??pame Qui??n puede en 1808. S??lo cuatro a??os despu??s, el ??xito de locomotora de dos cilindros Salamanca por Mateo Murray fue utilizado por el borde arremeti?? pi????n y cremallera Middleton Ferrocarril. En 1825 George Stephenson construy?? el Locomotion para el Stockton y Darlington Railway. Este fue el primer tren de vapor p??blica en el mundo y luego, en 1829, construy?? El cohete, que fue introducido en y gan?? los ensayos de Rainhill . El ferrocarril Liverpool-Manchester , inaugurado en 1830 haciendo uso exclusivo de la energ??a de vapor de pasajeros y trenes de mercanc??as.
Las locomotoras de vapor continu?? fabricando hasta finales del siglo XX en lugares como China y la antigua Alemania del Este.
Las turbinas de vapor
La gran evoluci??n final del dise??o del motor de vapor fue el uso de vapor turbinas a partir de la ??ltima parte del siglo 19. Turbinas son m??s eficientes que los pistones, tienen menos partes m??viles, y proporcionar energ??a rotatoria directamente en lugar de a trav??s de una conectar sistema de barras o medios similares. Las turbinas de vapor sustituyeron por completo los motores alternativos de estaciones generadoras de electricidad despu??s de la vuelta del siglo 20, cuando su eficiencia, mayor velocidad y rotaci??n suave eran ventajas y su falta de flexibilidad en la velocidad ??ptima era importante. Turbinas se aplicaron extensivamente para la propulsi??n de barcos grandes por razones similares.
Desarrollo actual
Aunque la m??quina de vapor de vaiv??n ya no est?? en uso comercial generalizada, diversas empresas est??n explorando o explotando el potencial del motor como una alternativa a la combusti??n interna engines.The empresa Energiprojekt AB en Suecia ha logrado avances en el uso de materiales modernos para aprovechar el poder de vapor. La eficiencia de la m??quina de vapor de Energiprojekt alcanza algunos 27-30% en los motores de alta presi??n. Se trata de un solo paso, motor de 5 cilindros (sin compuesto) con vapor sobrecalentado y consume aprox. 4 kg (8,8 libras) de vapor por kWh.
Componentes y accesorios de m??quinas de vapor
Hay dos componentes fundamentales de una planta de vapor: el caldera o generador de vapor, y la "unidad de motor", se refiere a s?? misma como una "m??quina de vapor". Motores de vapor fijos en los edificios fijos pueden tener la caldera y el motor en edificios separados a cierta distancia. Para el uso port??til o m??vil, tal como las locomotoras de vapor, los dos se montan juntos.
El motor alternativo ampliamente utilizado normalmente consist??a en un cilindro de hierro fundido, de pist??n, biela y viga o una manivela y el volante, y los v??nculos diversos. El vapor se suministra y se agota en una o m??s v??lvulas alternativamente. El control de velocidad era o bien autom??tica, utilizando un gobernador, o por una v??lvula manual. El casting cilindro con suministro de vapor y puertos de escape.
Los motores equipados con un condensador son un tipo separado de los que escape a la atm??sfera.
Otros componentes est??n a menudo presentes; bombas (tales como una inyector) para suministrar agua a la caldera durante el funcionamiento, condensadores para recircular el agua y recuperar el calor latente de vaporizaci??n, y sobrecalentadores para elevar la temperatura del vapor por encima de su punto de vapor saturado, y diversos mecanismos para aumentar el proyecto para cajas de fuegos. Cuando se utiliza carb??n, un mecanismo de cadena o de tornillo atizando y su motor de accionamiento o motor pueden ser incluidos para mover el combustible desde un dep??sito de suministro (bunker) a la c??mara de combusti??n. Ver: Fogonero mec??nico
Calderas
Las calderas son recipientes a presi??n que contienen agua para hervir, y alg??n tipo de mecanismo para transferir el calor al agua con el fin de hervir.
Los dos m??todos m??s comunes de la transferencia de calor al agua son:
- caldera de tubo de agua - agua est?? contenida en o ejecutar a trav??s de uno o varios tubos rodeada de gases calientes
- caldera de fuego-tubo - el agua llena parcialmente un recipiente debajo o dentro de la cual es una c??mara de combusti??n u horno y tubos de humo a trav??s del cual fluyen los gases calientes
Calderas de tubos de fuego fueron el tipo m??s utilizado para el vapor de alta presi??n temprano, pero fueron desplazados por seguras las calderas de tubos de agua en el siglo 19.
Una vez convertido en vapor, muchas calderas elevan la temperatura del vapor a??n m??s, convirtiendo ' vapor h??medo "en" vapor sobrecalentado ". Este uso de sobrecalentamiento evita la condensaci??n de vapor de agua dentro del motor, y permite significativamente mayor la eficiencia.
Las unidades motoras
Una unidad de motor tiene un suministro de vapor de agua a alta presi??n y temperatura y da a cabo un suministro de vapor de agua a baja presi??n y temperatura, utilizando como gran parte de la diferencia en la energ??a de vapor como sea posible para hacer trabajo mec??nico. Las unidades motoras son t??picamente un tipo de pist??n o turbina de vapor.
Una unidad de motor es a menudo llamado "m??quina de vapor" en su propio derecho. Tambi??n funcionar??n con aire comprimido u otro gas.
Fregadero Fr??a
Al igual que con todos los motores t??rmicos, una cantidad considerable de calor residual a temperatura relativamente baja se produce y se debe desechar.
El disipador de fr??o es m??s simple para ventilar el vapor de agua para el medio ambiente. Esto se utiliza a menudo en locomotoras de vapor, ya que el vapor liberado se libera en la chimenea a fin de aumentar el sorteo en el fuego, lo que aumenta en gran medida la potencia del motor, pero es ineficiente. Condensaci??n locomotoras de vapor se han construido, pero s??lo para aplicaciones especiales tales como trabajar en t??neles y donde los suministros de agua son escasos.
A veces, el calor residual es ??til en s?? misma, y en esos casos se puede conseguir muy alta eficiencia general. Por ejemplo, cogeneraci??n sistemas (CHP) utilizan el vapor residual de la calefacci??n urbana.
Cuando no se utiliza la cogeneraci??n, turbinas de vapor en las centrales el??ctricas utilizan condensadores de superficie como sumidero fr??o. Los condensadores son enfriados por el flujo de agua de los oc??anos, r??os, lagos, y muchas veces por torres de refrigeraci??n que se evaporan agua para enfriar la eliminaci??n de la energ??a. La salida de agua caliente condensado resultante procedente del condensador es entonces vuelve a poner en la caldera a trav??s de una bomba. Una torre de tipo de enfriamiento en seco es similar a un radiador de autom??vil y se utiliza en lugares donde el agua es costoso. Evaporativa (h??meda) torres de refrigeraci??n utiliza el calor rechazado para evaporar el agua; esta agua se mantiene separada del condensado, que circula en un sistema cerrado y vuelve a la caldera. Tales torres menudo tienen penachos visibles debido a la condensaci??n de agua evaporada en gotitas llevadas por el aire caliente. Torres de enfriamiento evaporativo necesitan menos flujo de agua que "un solo paso" enfriamiento por agua de r??o o lago; una planta de energ??a a carb??n de 700 megavatios puede utilizar cerca de 3.600 metros c??bicos de agua de reposici??n cada hora durante el enfriamiento por evaporaci??n, pero necesitar??a unos veinte veces m??s si se enfr??a por agua del r??o.
Bomba de agua
El ciclo de Rankine y motores de vapor m??s pr??cticos tienen una bomba de agua para reciclar o recargar el agua de la caldera, de modo que pueden funcionar de forma continua. Instalaciones y calderas industriales suelen utilizar m??ltiples etapas bombas centr??fugas; sin embargo, se utilizan otros tipos. Otro medio de suministro de agua para calderas de baja presi??n es una inyector, que utiliza un chorro de vapor normalmente suministrada desde la caldera. Inyectores se hizo popular en la d??cada de 1850, pero se utilizan ya no mucho, excepto en aplicaciones tales como las locomotoras de vapor.
Seguimiento y control
Por razones de seguridad, casi todos los motores de vapor est??n equipadas con mecanismos para vigilar la caldera, tal como una man??metro y una mirilla para controlar el nivel de agua.
Muchos motores, fijas y m??viles, tambi??n est??n equipados con un gobernador para regular la velocidad del motor sin necesidad de intervenci??n humana (similar al control de velocidad en algunos coches).
El instrumento m??s ??til para analizar el rendimiento de las m??quinas de vapor es el indicador de la m??quina de vapor. Las primeras versiones estaban en uso por 1851, pero el indicador de mayor ??xito fue desarrollado para el inventor del motor de alta velocidad y el fabricante Charles Porter por Charles Richard y exhibidos en la Exposici??n de Londres en 1862. El indicador de la m??quina de vapor traza sobre el papel de la presi??n en el cilindro a lo largo del ciclo, que se puede utilizar para detectar diversos problemas y calcular la potencia desarrollada. Se utiliza de forma rutinaria por los ingenieros, mec??nicos e inspectores de seguros. El indicador de motor tambi??n se puede utilizar en motores de combusti??n interna. Ver imagen del diagrama indicador abajo.
Configuraci??n del motor
Motor simple
En un motor sencilla la carga de vapor funciona s??lo una vez en un cilindro. A continuaci??n, se agota directamente en la atm??sfera o en un condensador.
Motores compuestos
Como vapor se expande en un motor de alta presi??n de su temperatura cae porque no se a??ade calor al sistema; esto se conoce como expansi??n adiab??tica y los resultados en vapor que entra en el cilindro a alta temperatura y dejando a baja temperatura. Esto provoca un ciclo de calentamiento y enfriamiento del cilindro con cada golpe que es una fuente de ineficiencia. Un m??todo para reducir la magnitud de este calentamiento y enfriamiento fue inventado en 1804 por el ingeniero brit??nico Arthur Woolf, que patent?? su motor compuesto de alta presi??n Woolf en 1805. En el motor compuesto, vapor de alta presi??n de la caldera se expande en una alta presi??n (HP) del cilindro y luego entra en una o m??s de baja presi??n (LP) cilindros posteriores. La expansi??n completa del vapor ahora se produce a trav??s de m??ltiples cilindros y como menos de expansi??n ahora se produce en cada cilindro se pierde menos calor por el vapor en cada uno. Esto reduce la magnitud de la calefacci??n y la refrigeraci??n del cilindro, aumentando la eficiencia del motor. Con la organizaci??n de la expansi??n en m??ltiples cilindros, la variabilidad de par se puede reducir. Para obtener un trabajo igual de vapor de baja presi??n requiere un volumen de cilindro m??s grande, ya que el vapor ocupa un mayor volumen. Por lo tanto el taladro, y muchas veces la carrera, se incrementan en los cilindros de baja presi??n resultantes en cilindros grandes.
Expansi??n doble (generalmente conocido como compuestos) motores ampli?? el vapor en dos etapas. Las parejas pueden ser duplicados o el trabajo del gran cilindro de baja presi??n se pueden dividir con agotadora cilindro una alta presi??n en uno o el otro, dando un dise??o de 3 cilindros donde cilindro y di??metro del pist??n son aproximadamente los mismos haciendo las masas alternativas m??s f??cil equilibrio.
Compuestos de dos cilindros se pueden organizar como:
- Compuestos de la Cruz - Los cilindros est??n lado a lado.
- Compuestos Tandem - Los cilindros son de extremo a extremo, la conducci??n de un com??n biela
- Compuestos de ??ngulo - Los cilindros est??n dispuestos en una uve (por lo general en un ??ngulo de 90 ??) y conducir una manivela com??n.
Con compuestos de dos cilindros utilizados en los trabajos ferroviarios, los pistones est??n conectados a las manivelas como con una de dos cilindros sencillo a 90 ?? fuera de fase uno con el otro (en cuartos). Cuando el grupo de expansi??n doble se duplica, la producci??n de un compuesto de 4 cilindros, los pistones individuales dentro del grupo est??n generalmente equilibrados en 180 ??, los grupos que se fijan en 90 ?? entre s??. En un caso (el primer tipo de Vauclain compuesto), los pistones trabaj?? en la misma fase de la cruceta y la conducci??n de un cig??e??al com??n, de nuevo fijado en 90 ?? como para un motor de dos cilindros. Con la disposici??n compuesto de 3 cilindros, las bielas LP se establecieron ya sea a 90 ?? con el HP uno en 135 ?? a los otros dos, o en algunos casos los tres manivelas se fijaron en 120 ??.
La adopci??n de la capitalizaci??n era com??n para las unidades industriales, para los motores de carretera y casi universal para motores marinos a partir de 1880; no fue universalmente popular en locomotoras de ferrocarril, donde a menudo se percibe como complicada. Esto es en parte debido a las duras condiciones de operaci??n de trenes y el espacio limitado que ofrece la g??libo de carga (sobre todo en Gran Breta??a, donde la capitalizaci??n nunca fue com??n y que no pertenezcan a partir de 1930). Sin embargo, aunque nunca en la mayor??a, era popular en muchos otros pa??ses.
Motores de expansi??n M??ltiples
Vapor de alta presi??n (rojo) entra desde la caldera y pasa a trav??s del motor, agotando como de baja presi??n de vapor (azul), por lo general a un condensador.
Es una extensi??n l??gica del motor compuesto (descrito anteriormente) para dividir la expansi??n en todav??a m??s etapas para aumentar la eficiencia. El resultado es el motor de expansi??n m??ltiple. Estos motores utilizan tres o cuatro etapas de expansi??n y son conocidos como motores de triple y cu??druple expansi??n respectivamente. Estos motores utilizan una serie de cilindros de di??metro progresivamente creciente. Estos cilindros est??n dise??ados para dividir el trabajo en partes iguales para cada etapa de expansi??n. Como con el motor de expansi??n doble, si el espacio es un bien escaso, a continuaci??n, dos cilindros m??s peque??os se pueden utilizar para la etapa de baja presi??n. M??ltiples motores de expansi??n ten??an t??picamente los cilindros dispuestos en l??nea, pero se utilizaron varias otras formaciones. En el siglo 19, se utiliz?? el equilibrio "sistema" Yarrow-Schlick-Tweedy en algunos motores de expansi??n triples marinos. Motores YST dividen las etapas de baja expansi??n de presi??n entre dos cilindros, uno en cada extremo del motor. Esto permiti?? que el cig??e??al sea m??s equilibrada, lo que resulta en una, m??s suave del motor m??s r??pido-respuesta que corri?? con menos vibraci??n. Esto hizo que el motor de triple expansi??n de 4 cilindros popular entre los grandes barcos de pasajeros (tales como la Clase ol??mpica), pero esto fue reemplazado finalmente por la turbina pr??cticamente libre de vibraciones (ver m??s abajo).
La imagen de la derecha muestra una animaci??n de un motor de triple expansi??n. El vapor viaja a trav??s del motor de izquierda a derecha. El cuerpo de la v??lvula para cada uno de los cilindros est?? a la izquierda del cilindro correspondiente.
M??quinas de vapor terrestres podr??an agotan gran parte de su vapor, como agua de alimentaci??n era f??cil de obtener. Antes y durante la Primera Guerra Mundial , el motor de la expansi??n dominado aplicaciones marinas donde la alta velocidad de la embarcaci??n no era esencial. Sin embargo, fue sustituida por la invenci??n brit??nica turbina de vapor, donde se requiere velocidad, por ejemplo, en barcos de guerra, como el acorazados dreadnought, y transatl??nticos. HMS Dreadnought de 1905 fue el primer buque de guerra importantes para sustituir la tecnolog??a probada del motor alternativo con el entonces-novela turbina de vapor.
Tipos de unidades motoras
Pist??n alternativo
En la mayor??a de los motores de pist??n alternativo, el vapor invierte su direcci??n de flujo en cada accidente cerebrovascular (contracorriente), entrando y agotador desde el cilindro por el mismo puerto. El ciclo completo del motor ocupa una rotaci??n de la manivela y dos carreras de pist??n; el ciclo tambi??n comprende cuatro eventos - la admisi??n, de expansi??n, de escape, la compresi??n. Estos eventos son controlados por v??lvulas a menudo de trabajo dentro de una caja de vapor adyacente al cilindro; las v??lvulas de distribuir el vapor mediante la apertura y el cierre de los puertos de vapor que comunican con el extremo del cilindro (s) y son impulsados por engranaje de la v??lvula, de los cuales hay muchos tipos. Los engranajes de v??lvulas simples dan eventos de longitud fija durante el ciclo del motor y, a menudo hacen que el motor gire en una sola direcci??n. La mayor??a, sin embargo tener una marcha atr??s mecanismo que, adem??s, puede ser el medio para salvar vapor como la velocidad y el ??mpetu se gan?? por poco a poco "acortar el corte "o m??s bien, acortando el caso de admisi??n, lo que a su vez alarga proporcionalmente el per??odo de expansi??n Sin embargo, como una y la misma v??lvula, generalmente, controla tanto los flujos de vapor, un corto de corte en la admisi??n afecta negativamente a los per??odos de escape y de compresi??n que idealmente deben ser siempre. mantuvo bastante constante, y si el caso de escape es demasiado breve, la totalidad del vapor de escape no puede evacuar el cilindro, asfixia y d??ndole compresi??n excesiva ("Kick Back").
En la d??cada de 1840 y 50, hubo intentos para superar este problema por medio de diversos engranajes v??lvula patente con un punto de corte variable separada v??lvula de expansi??n montado en la parte posterior de la v??lvula de corredera principal; este ??ltimo por lo general hab??a fija o de corte limitado. La configuraci??n combinada dio una aproximaci??n razonable de los eventos ideales, a expensas del aumento de la fricci??n y el desgaste, y el mecanismo tend??a a ser complicado. La soluci??n habitual compromiso ha sido proporcionar vuelta mediante el alargamiento de superficies de rozamiento de la v??lvula de tal manera que se solapen el puerto en el lado de admisi??n, con el efecto de que el lado de escape permanece abierta durante un per??odo m??s largo despu??s de corte sobre la admisi??n Se ha producido lado. Este expediente ha sido desde entonces generalmente se considera satisfactoria para la mayor??a de prop??sitos y hace posible el uso de la simple Stephenson, La alegr??a y la Walschaerts movimientos. Corliss, y m??s tarde, engranajes de v??lvula de v??stago hab??an v??lvulas de admisi??n y de escape separadas impulsado por mecanismos de disparo o levas perfilada a fin de dar eventos ideales; la mayor??a de estos engranajes nunca tuvieron ??xito fuera del mercado estacionario debido a varias otras cuestiones, como las fugas y mecanismos m??s delicados.
- Compresi??n
Antes de la fase de escape es bastante completo, el lado de escape de la v??lvula se cierra, cerrando una parte del vapor de escape en el interior del cilindro. Esto determina la fase de compresi??n donde se forma un coj??n de vapor contra la cual el pist??n funciona mientras que su velocidad est?? disminuyendo r??pidamente; se evita, adem??s, la presi??n y la temperatura de choque, que de otro modo ser??a causada por la admisi??n repentina del vapor de alta presi??n al comienzo del siguiente ciclo.
- Plomo
Los efectos anteriores se han mejorado a??n m??s, proporcionando liderazgo: como m??s tarde fue descubierto con la motor de combusti??n interna, se ha encontrado ventajoso desde finales de los a??os 1830 para avanzar la fase de admisi??n, dando la ventaja de la v??lvula de manera que la admisi??n se produce un poco antes del final de la carrera de escape con el fin de llenar el volumen de holgura que comprende los puertos y los extremos del cilindro (no forma parte del volumen de pist??n-barrido) antes de que el vapor de agua comienza a ejercer un esfuerzo sobre el pist??n.
Uniflow (o unaflow) motor
Las v??lvulas de asiento son controlados por el ??rbol de levas giratorio en la parte superior. El vapor de alta presi??n entra, rojos, y los tubos de escape, amarillo.
Motores Uniflow intentan remediar las dificultades derivadas de la contracorriente ciclo habitual en el que, durante cada carrera, el puerto y las paredes del cilindro se enfr??an por el vapor de escape que pasa, mientras que el vapor de admisi??n entrante caliente perder?? parte de su energ??a en la restauraci??n de la temperatura de trabajo . El objetivo de la uniflow es remediar este defecto y mejorar la eficiencia al proporcionar un puerto adicional no cubierto por el pist??n al final de cada carrera haciendo que el flujo de vapor en una sola direcci??n. Por este medio, el motor de flujo unidireccional simple expansi??n proporciona una eficiencia equivalente a la de los sistemas compuestos cl??sicos con la ventaja a??adida de rendimiento de carga parcial superior, y la eficiencia comparable a las turbinas para motores m??s peque??os por debajo de un mil caballos de fuerza. Sin embargo, los motores uniflow gradiente expansi??n t??rmica producen a lo largo de la pared del cilindro da dificultades pr??cticas.
Los motores de turbina
Una turbina de vapor se compone de uno o m??s rotores (discos giratorios) montados en un eje de accionamiento, alternando con una serie de estatores (discos est??ticos) fijado a la carcasa de la turbina. Los rotores tienen una disposici??n similar a una h??lice de palas en el borde exterior. Vapor act??a sobre estas hojas, produciendo un movimiento rotativo. El estator consta de una similar, pero fijo, serie de cuchillas que sirven para redirigir el flujo de vapor a la siguiente etapa de rotor. Una turbina de vapor a menudo agota en una condensador de superficie que proporciona un vac??o. Las etapas de una turbina de vapor se disponen t??picamente para extraer el m??ximo potencial de trabajo de una velocidad y la presi??n de vapor de agua espec??fica, dando lugar a una serie de etapas de alta y baja presi??n de tama??o variable. Turbinas s??lo son eficaces si se giran a una velocidad muy alta, por lo que normalmente se conectan a la reducci??n de engranajes para conducir otro mecanismo, como la h??lice de un buque, a una velocidad inferior. Esta caja de cambios puede ser mec??nica, pero hoy en d??a es m??s com??n el uso de un alternador / generador para producir electricidad que luego se utiliza para accionar un motor el??ctrico. Un rotor de la turbina tambi??n es s??lo capaz de proporcionar energ??a al girar en una direcci??n. Por lo tanto una etapa o caja de engranajes de marcha atr??s se requiere generalmente cuando se requiere una potencia en la direcci??n opuesta.
Las turbinas de vapor proporcionan fuerza de rotaci??n directa y por lo tanto no requieren un mecanismo de articulaci??n para convertir el movimiento giratorio de vaiv??n a. Por lo tanto, producen fuerzas de rotaci??n suaves en el eje de salida. Esto contribuye a un requisito de mantenimiento m??s bajos y un menor desgaste de la maquinaria que el poder de un motor alternativo comparable.
El principal uso de turbinas de vapor est?? en la generaci??n de electricidad (aproximadamente el 90% de la producci??n el??ctrica del mundo es mediante el uso de turbinas de vapor) y en menor medida como motores primarios marinos. En el primero, la alta velocidad de rotación es una ventaja, y en ambos casos el grueso relativa no es una desventaja; en este último (pionero en el Turbinia ), el peso ligero, de alta eficiencia y alta potencia son muy deseables.
Prácticamente todos de energía nuclear plantas generan electricidad mediante el calentamiento de agua para proporcionar vapor que mueve una turbina conectada a un generador el??ctrico. barcos y submarinos, ya sea utilizar una turbina de vapor directamente para la propulsión principal con motor Nuclear, con los generadores de suministro de energía auxiliar, o bien emplear propulsión turbo-eléctrico, donde el vapor impulsa un conjunto turbina-generador con la propulsión proporcionada por motores eléctricos. Un número limitado de se fabricaron las locomotoras del ferrocarril de turbinas de vapor. Algunas locomotoras de accionamiento directo sin condensación cumplían con cierto éxito para las operaciones de transporte de mercancías de larga distancia en Suecia y para el trabajo expreso de pasajeros en Gran Bretaña, pero no se repitieron. En otros lugares, en particular en los EE.UU., los diseños más avanzados con transmisión eléctrica se construyeron experimentalmente, pero no reproducen. Se encontró que las turbinas de vapor no fueron ideales para el entorno ferroviario y estas locomotoras no lograron derrocar a la unidad de vapor de vaivén clásico en la forma en que el diesel moderno y tracción eléctrica ha hecho.
Máquinas de vapor del cilindro oscilante
Un motor de vapor del cilindro oscilante es una variante de la máquina de vapor de expansión sencilla que no requiere válvulas para dirigir el vapor dentro y fuera del cilindro. En lugar de válvulas, todo el cilindro rocas, u oscila, de tal manera que uno o más agujeros en la línea de cilindro con agujeros en un fijo cara puerto o en el pivote de montaje ( muñón). Estos motores se utilizan principalmente en juguetes y modelos, debido a su simplicidad, pero también se han utilizado en los motores de tamaño completo de trabajo, principalmente en naves donde se valora su compacidad.
Máquinas de vapor de Rotary
Es posible utilizar un mecanismo basado en un motor rotativo sin pistones como el motor Wankel en lugar de los cilindros y de la válvula de engranajes de un motor de vapor de movimiento alternativo convencional. Muchos de estos motores han sido diseñados, desde la época de James Watt hasta nuestros días, pero relativamente pocos eran en realidad construida y aún menos entró en producción la cantidad; ver enlace al final del artículo para más detalles. El principal problema es la dificultad de sellado de los rotores para hacerlos-vapor apretado en la cara de desgaste y la expansión térmica; la fuga resultante los hizo muy ineficiente. La falta de trabajo expansivo, o cualquier medio de control de la de corte es también un serio problema con muchos de estos diseños. Por la década de 1840, estaba claro que el concepto tenía problemas inherentes y motores rotativos fueron tratados con un poco de burla en la prensa técnica. Sin embargo, la llegada de la electricidad a la escena, y las evidentes ventajas de la conducción de un dínamo directamente de un motor de alta velocidad, llevado a algo de un renacimiento del interés en los años 1880 y 1890, y algunos diseños tenido un éxito limitado.
De los pocos diseños que fueron fabricados en cantidad, los de la Hult Hermanos Rotary Steam Engine Company de Estocolmo, Suecia, y el motor esférico de Beauchamp Torre son notables. Motores de la torre fueron utilizados por el Gran Ferrocarril del Este para conducir dinamos de iluminación en sus locomotoras, y por el Almirantazgo para conducir dínamos a bordo de los buques de la Royal Navy . Fueron reemplazados eventualmente en estas aplicaciones de nicho por turbinas de vapor.
Tipo de Rocket
La aeolipile representa el uso de vapor de agua por el principio cohete-reacción, aunque no para la propulsión directa.
En tiempos más modernos ha habido un uso limitado de vapor para la cohetería - especialmente para los coches de cohetes. La técnica es simple en concepto, simplemente llenar un recipiente a presión con agua caliente a alta presión, y abrir una válvula que conduce a una boquilla adecuada. La caída en la presión inmediatamente se reduce algo del agua y el vapor sale a través de una boquilla, dando una fuerza propulsora significativa.
Seguridad
Las máquinas de vapor poseen calderas y otros componentes que son recipientes a presión que contienen una gran cantidad de energía potencial. Escapes de vapor y explosiones de calderas (normalmente Blèves) pueden y han causado grandes pérdidas de vidas en el pasado. Si bien pueden existir variaciones en los estándares en diferentes países, rigurosa legal, pruebas, capacitación, cuidado con la fabricación, operación y certificación se aplica para garantizar la seguridad. Ver: vasija de presión
Modos de fallo pueden ser:
- sobre-presurización de la caldera
- la insuficiencia de agua en la caldera causando insuficiencia sobrecalentamiento y de los vasos
- la acumulación de sedimentos y la escala que causó puntos calientes locales, especialmente en las barcas que utilizan agua de alimentación sucio
- insuficiencia recipiente a presión de la caldera debido a la construcción o mantenimiento inadecuado.
- escape de vapor de las tuberías / caldera causando quemaduras
Las máquinas de vapor con frecuencia poseer dos mecanismos independientes para asegurar que la presión en la caldera no va demasiado alto; uno puede ser ajustado por el usuario, el segundo suele ser diseñado como una última instancia a prueba de fallos. Tal válvulas de seguridad utilizan tradicionalmente una simple palanca para contener una válvula tapón en la parte superior de una caldera. Un extremo de la palanca lleva a un peso o un muelle que contuvo la válvula contra la presión de vapor. Válvulas Los primeros podrían ser ajustados por los maquinistas, lo que lleva a muchos accidentes cuando un conductor sujeta la válvula hacia abajo para permitir una mayor presión de vapor y más potencia del motor. El tipo más reciente de válvula de seguridad utiliza una válvula accionada por resorte no ajustable. Este tipo normalmente no es ajustable y es considerablemente más seguro.
Plomo tapones fusibles pueden estar presentes en la corona de la cámara de combustión. Si el nivel del agua baja, de manera que la temperatura de la corona caja de fuego aumenta significativamente, el plomo se funde y los escapes de vapor, advirtiendo a los operadores, que pueden luego soltar manualmente el fuego. Excepto en la más pequeña de las calderas de la fuga de vapor tiene poco efecto sobre la amortiguación del fuego. Los tapones también son demasiado pequeñas en la zona para disminuir la presión de vapor significativamente, despresurizar la caldera. Si los hubiera más grande, el volumen de vapor que se escapa en sí sería poner en peligro a la tripulación.
Ciclo de vapor
El ciclo de Rankine es la base fundamental de la termodinámica la máquina de vapor. El ciclo es un modelo matemático que ilustra el flujo del fluido (vapor) que trabajan en un motor con el calor añadido siendo convertido a trabajar y luego el trabajo que se disipa en forma de calor residual. El calor se suministra externamente a un bucle cerrado. Esto, en los motores de vapor contiene agua y vapor. El ciclo se utiliza para explicar las máquinas que generan alrededor del 90% de toda la energía eléctrica utilizada en todo el mundo, incluyendo prácticamente todos solar, biomasa, carbón y nucleares centrales eléctricas. Lleva el nombre de William John Macquorn Rankine, un escocés gran pensador.
El ciclo de Rankine se refiere a veces como una práctica ciclo de Carnot porque, cuando se utiliza una turbina eficiente, el diagrama TS empieza a parecerse al ciclo de Carnot. La principal diferencia es que la adición de calor (en la caldera) y rechazo (en el condensador) son procesos isobáricas (presión constante) en el ciclo de Rankine y isotérmicas (constante temperatura de procesos) en el ciclo teórico de Carnot. En este ciclo se utiliza una bomba para presurizar el fluido de trabajo que se recibe desde el condensador como un líquido no como un gas. El bombeo del fluido de trabajo en forma líquida durante el ciclo requiere una pequeña fracción de la energía para su transporte en comparación con la energía necesaria para comprimir el fluido de trabajo en forma gaseosa en un compresor (como en el ciclo de Carnot). El ciclo de un motor de vapor de movimiento alternativo difiere de la de las turbinas a causa de la condensación y la re-evaporación que ocurre en el cilindro o en los pasos de entrada de vapor.
El fluido de trabajo en un ciclo Rankine sigue un bucle cerrado y se reutiliza constantemente. Normalmente el agua es el fluido de elección debido a sus propiedades favorables, tales como la química no tóxico y no reactivo, abundancia, de bajo costo, y sus propiedades termodinámicas . El mercurio es el fluido de trabajo en la turbina de vapor de mercurio. Hidrocarburos de bajo punto de ebullición se pueden utilizar en un ciclo binario.
La máquina de vapor contribuyó mucho al desarrollo de la teoría termodinámica; sin embargo, las únicas aplicaciones de la teoría científica que influyeron en la máquina de vapor eran los conceptos originales de aprovechar el poder de vapor y la presión atmosférica y el conocimiento de las propiedades de calor y vapor. Las mediciones experimentales realizadas por Watt en un motor de vapor de modelo condujeron al desarrollo del condensador separado. Watt descubrió independientemente de calor latente, que fue confirmado por José Negro quien también aconsejó Watt sobre los procedimientos experimentales. Watt también era consciente de que el cambio en el punto de ebullición del agua con presión. De lo contrario, las mejoras en el motor en sí eran más de naturaleza mecánica. Los conceptos termodinámicos del ciclo Rankine hicieron dar a los ingenieros la comprensión necesaria para calcular la eficiencia, que ayudó al desarrollo de alta presión moderna y calderas de temperatura y de la turbina de vapor.
Eficiencia
- Ver tambi??n: La eficiencia del motor del motor de vapor #
La eficiencia de un motor se puede calcular dividiendo la salida de la energía de trabajo mecánico que el motor produce por la entrada de energía al motor por el combustible que se quema.
La medida histórica de la eficiencia energética de una máquina de vapor era su "deber". El concepto de deber se introdujo por primera vez por vatio con el fin de ilustrar la forma mucho más eficiente sus motores eran más de los diseños anteriores Newcomen. El deber es el número de libras-pie de trabajo entregados por la quema de un bushel (94 libras) de carbón. Los mejores ejemplos de diseños Newcomen tenían el deber de alrededor de 7 millones de dólares, pero la mayoría estaban más cerca de 5 millones. Diseños de baja presión originales de Watt eran capaces de ofrecer servicio de hasta 25 millones de dólares, pero un promedio de aproximadamente 17. Esto fue una mejora de tres veces por encima del promedio de diseño de Newcomen. Los primeros motores de Watt equipados con vapor a alta presión mejorado este a 65 millones.
No motor térmico puede ser más eficiente que el ciclo de Carnot, en la que el calor se mueve desde un depósito de alta temperatura a uno a una temperatura baja, y la eficiencia depende de la diferencia de temperatura. Para la mayor eficiencia, las máquinas de vapor deben funcionar a la temperatura más alta posible de vapor ( vapor sobrecalentado), y liberan el calor residual a la temperatura más baja posible.
La eficiencia de un ciclo Rankine es generalmente limitada por el fluido de trabajo. Sin la presión de alcanzar niveles súper críticos para el fluido de trabajo, el rango de temperatura el ciclo puede operar sobre es bastante pequeño; en turbinas de vapor, las temperaturas de entrada de la turbina son típicamente 565 ° C (el límite de fluencia de acero inoxidable) y las temperaturas del condensador son alrededor de 30 ° C. Esto da una teórica eficiencia de Carnot de alrededor de 63% en comparación con una eficacia real de 42% para una central eléctrica a carbón moderna. Esta baja temperatura de entrada de la turbina (en comparación con una turbina de gas) es por eso que el ciclo de Rankine se utiliza a menudo como un ciclo de tocar fondo en las centrales eléctricas de turbinas de gas de ciclo combinado.
Una de las principales ventajas del ciclo de Rankine sostiene sobre otros es que durante la etapa de compresión se requiere relativamente poco trabajo para accionar la bomba, el ser fluido de trabajo en su fase líquida en este punto. Por la condensación del fluido, el trabajo requerido por la bomba consume sólo 1% a 3% de la potencia de la turbina y contribuye a una eficiencia mucho más alta para un ciclo real. El beneficio de esto se pierde un poco debido a las bajas temperaturas de calor. Además Turbinas de gas, por ejemplo, tienen temperaturas de entrada de la turbina se acercan 1.500 ° C. Sin embargo, la eficiencia de los grandes ciclos de vapor reales y las grandes turbinas de gas modernas están bastante bien adaptado.
En la práctica, una máquina de vapor de agotar el vapor a la atmósfera tendrá típicamente una eficiencia (incluida la caldera) en el intervalo de 1-10%, pero con la adición de un condensador y expansión múltiple, puede ser mejorado en gran medida al 25% o mejor.
Una estación eléctrica grande y moderno de energía (producción de varios cientos de megavatios de potencia eléctrica) conrecalentamiento de vapor,etc. economizador logrará la eficiencia en el rango medio del 40%, con las unidades más eficientes acercaban eficiencia térmica del 50%.
También es posible capturar el calor residual mediante cogeneración en la que el calor residual se utiliza para calentar un punto de ebullición más bajo fluido de trabajo o como una fuente de calor para la calefacción urbana a través de vapor de baja presión saturada. Por esto significa que es posible utilizar tanto como el 85-90% de la energía de entrada.
