Máquinas térmicas

 
 

Las turbinas de vapor son máquinas colosales. La que aquí se ve tiene una potencia de 300.000 kW.

Sin lugar a dudas, la primera transformación del calor en energía mecánica consistió en el lanzamiento de proyectiles con cañones, lo que, al parecer, tuvo lugar en 1334. En la pólvora del disparo, mezcla de carbón, azufre y salitre, este último proporciona el oxigeno necesario para la combustión, en la cual se producen grandes masas de gas a altas temperaturas; unas y otras suponen, como sabemos, una fuerte presión, la cual impele el proyectil en el cañón, ejerciendo sobre él un esfuerzo, que volvemos a encontrar luego en la energía cinética, o, en otras palabras, en la velocidad del proyectil.

A mayor longitud del cañón, y a igualdad de presión, mayores valores adquiere la velocidad y, por tanto, el alcance del proyectil. Los cañones de largo alcance tienen, en consecuencia, tubos larguísimos.

En lo que respecta a las máquinas térmicas destinadas a usos pacíficos, es digno de mención el hecho de que, con el transcurso del tiempo, la técnica empleada ha experimentado un proceso de simplificación. Al principio, en efecto, se recurrió al método de la condensación del vapor de agua, pero en épocas sucesivas se prefirió el del aprovechamiento de la presión de los gases calentados, que daba mejores resultados; en esta etapa se construyeron primero las complicadas máquinas de émbolo, luego las turbinas y, por último, las máquinas más sencillas, de todas las hasta hoy existentes, de cuantas aprovechan con fines mecánicos la energía térmica: los cohetes.

 

En la máquina de vapor de Newcomen, el cilindro que contiene el pistón estaba situado inmediatamente encima de la caldera.

La bomba del marqués de Worcester

La primera aplicación mecánica de la energía térmica que mereció el calificativo de moderna fue la bomba ideada en el siglo XVII por el marqués de Worcester para aspirar el agua del fondo de las minas, a fin de evitar inundaciones.

Hasta entonces, este trabajo se había efectuado utilizando caballos, que ponían en movimiento una bomba de agua.

Una válvula sensible permite regular el acceso del vapor en las dos caras del pistón; a su vez, la válvula es accionada por una leva.

La máquina del marqués de Worcester consistía en una caldera de vapor y una cisterna. Primeramente se llenaba esta última de vapor; luego, se cerraba la admisión del vapor y se abría un tubo aspirante que llegaba hasta el fondo de la mina, donde se hallaba el agua, mientras se dejaba que el vapor se enfriara hasta condensarse. Así, su volumen se reducía a 1/1672, lo cual originaba un vacío de presión suficiente para aspirar el agua del fondo de la mina. Cuando la cisterna se había llenado de líquido, se cerraba el tubo aspirante y se abría una válvula de desagüe. El vapor que afluía a la cisterna expulsaba el agua y volvía a llenar la cisterna, con lo que el proceso empezaba de nuevo.

Por supuesto, el rendimiento de la máquina no era muy elevado. El enfriamiento de la cisterna hasta lograr la condensación se producía con tal lentitud que, como máximo, podía obtenerse una aspiración por minuto. Además, la máquina debía ser manejada manualmente sin interrupción y no podía aspirar el agua a alturas superiores a doce metros; y en cuanto al vapor destinado a expeler el agua que se acumulaba en la cisterna, gran parte se condensaba por contacto con ésta sin haber desarrollado ningún trabajo.

La primera mejora de cierta importancia la aportó en 1712 Thomas Newcomen, quien dio a la cisterna forma cilíndrica e introdujo en ella un elemento en forma de disco, grueso y fuerte, que efectuaba un recorrido de ascenso y descenso; en otras palabras: a Newcomen se debe la invención del émbolo o pistón. Mediante una cadena, el pistón se fijaba a un enorme balancín, en el otro extremo del cual existía una asta que llegaba hasta el fondo de la mina, donde ponía en movimiento una bomba hidráulica. El vapor impulsaba hacia arriba el pistón en el cilindro, luego se condensaba y absorbía el pistón, lo cual ponía en movimiento el balancín y la bomba. Se obtenían así hasta diez «aspiraciones» por minuto.

Cinco años después (1717), Henry Beighton inventó un dispositivo automático gracias al cual las válvulas se abrían y cerraban aprovechando los movimientos de la propia máquina. Tras esto, y durante un período de cuarenta y ocho años, no hubo nuevas modificaciones. Apareció por último James Watt, a quien se atribuye la invención de la máquina de vapor, lo que, tal como hemos visto, no responde del todo a la verdad; pero Watt introdujo tales mejoras, adaptando las diversas partes unas a otras de manera tan perfecta y funcional, que puede decirse que con él se inició la era de las máquinas.

La máquina de vapor

Los rotores de las grandes turbinas tienen un diámetro de casi cuatro metros.

La condensación del vapor requería mucho tiempo y suponía grandes pérdidas, por la continua necesidad de calentar y enfriar el cilindro. Watt introdujo un condensador separado; además, en su máquina «de doble efecto» el pistón era movido por la absorción de la condensación, no en una sola, sino en ambas direcciones. Aprovechando una invención de James Pickard, el árbol de codo, construyó una máquina de vapor en la que el movimiento de vaivén del pistón era transformado en el movimiento rotatorio de un árbol de manivela, con lo que la máquina de vapor se hizo de uso general.

Los alabes de las turbinas de vapor se hallan sometidos a tales esfuerzos que es preciso valorar según los más modernos sistemas la acción de las fuerzas que actúan sobre ellos. En la fotografía, las fuerzas en cuestión se hacen visibles con los oportunos medios ópticos.

La primera que construyó Watt realizaba veinticinco giros por minuto y tenía una potencia de diez caballos de vapor. Dicha potencia se basaba todavía exclusivamente en el principio de la condensación, no en el de la compresión del vapor.

Este principio fue introducido hacia 1800 por Oliver Evans y Richard Trevithick, uno independientemente del otro. Ambos se sirvieron de vapor comprimido de ocho a diez atmósferas, obteniendo con ello un enorme aumento de potencia. Mientras antes el vapor sólo actuaba durante la fase de condensación, a partir de entonces, en la fase de llenado suministró una energía de ocho a diez veces mayor.

La aplicación de este avance requería, en primer lugar, que se resolviera el problema que suponía la construcción de calderas aptas para resistir altas presiones, un campo en el que Watt no se había aventurado. A Denis Papin, inventor de la marmita que lleva su nombre, se debe la válvula de seguridad, dispositivo que permite la salida del vapor cuando la presión es excesiva. Esto aconteció en 1679. Pero las explosiones de calderas, que producían graves daños y víctimas, eran bastante frecuentes, hasta el punto de que Watt sostenía que Trevithick debía ser ahorcado, porque su invención constituía un peligro público de todos modos, apenas hubo máquinas de vapor en funcionamiento, se les encontró aplicación en las fábricas, y sobre todo en los transportes. En los vehículos que circulaban por carretera las aplicaciones fueron escasas y de carácter temporal, dado el excesivo peso de las calderas; en compensación, en los buques y los vehículos que circulaban sobre rieles la máquina de vapor proporcionaba óptimos rendimientos y muy pronto se empleó masivamente.

A Robert Fulton se debe la construcción del primer buque de vapor. Fulton instaló una de las máquinas de vapor construidas por Watt en un barco fluvial; la máquina accionaba ruedas de palas, que no son sino ruedas hidráulicas «por debajo», en las cuales la fuerza no es ejercida por el agua, sino sobre el agua. En seguida se pasó a la hélice, más sencilla y de más alto rendimiento. El Clermont, el vapor de Fulton, efectuó su primera travesía, de Nueva York a Albany (240 km), en 1807; doce años después, un buque de vapor, el Savannah, atravesaba el Atlántico.

La locomotora de vapor

Se suele fechar en 1829 el nacimiento del ferrocarril, aunque ya en el siglo XVIII se utilizara el raíl y en 1803 existieran locomotoras de vapor. Los rieles se empleaban, sobre todo, en las minas, para el transporte de las carretillas cargadas de carbón tiradas por caballos (el mismo sistema se adoptó luego en los tranvías, hasta principios de nuestro siglo). En cuanto a las locomotoras de vapor, eran de escasa potencia, y solo George Stephenson construyó una máquina cuyos principios fundamentales se aplican todavía en las locomotoras modernas. En las locomotoras, por regla general, dos, pero a veces tres o cuatro pistones actúan sobre las ruedas por medio de bielas.

La locomotora de vapor, que dio un impulso enorme a los transportes y las comunicaciones, han sido ya casi totalmente sustituida por medios más modernos y eficaces.

Para resolver cuál era la mejor locomotora, se decidió, con mentalidad muy inglesa, celebrar en 1829 un certamen en Rainhill. Venció, con gran ventaja, la Rocket (“Cohete”) de Stephenson; con sus quince caballos, la locomotora demostró que podía arrastrar un convoy de quince toneladas a treinta kilómetros por hora.

La locomotora de vapor ha logrado alcanzar, gracias a modificaciones y perfeccionamientos, velocidades de más de doscientos kilómetros por hora y potencias del orden de los cinco mil caballos de vapor. Sin embargo, hoy está desapareciendo, sustituida por las locomotoras eléctricas y las Diesel. La razón debe buscarse en el escaso rendimiento de la locomotora de vapor, pues los gases de descarga y las típicas «nubes» de vapor representan una gran cantidad de energía que no se aprovecha.

La turbina de vapor

Mientras en la máquina de vapor alternativa, es decir, la que funciona según el principio del pistón, se aprovecha la presión ejercida por el vapor sobrecalentado, en la turbina de vapor se utiliza la energía cinética del vapor que choca con las palas tras haber sido comprimido.

La turbina en cuestión fue inventada en 1883 por el sueco Gustaf de Laval; se trató de una invención casi casual, realizada en el curso de experimentos encaminados a lograr una centrífuga. De Laval se sirvió de una rueda de paletas, sobre la cual proyectó el vapor salido de una o más toberas; el vapor chocaba contra las paletas y ponía en funcionamiento el sistema. Su primera turbina tenía una potencia de cinco caballos de vapor; pero, gracias a la enorme velocidad del vapor que salía de las toberas, alcanzaba treinta mil revoluciones por minuto, rendimiento excelente para una centrífuga, pero que acarreaba una larga serie de problemas mecánicos, sin contar con que tan alto número de revoluciones sirve de muy poco, por no decir que de nada, para otros fines.

Esta central térmica puede suministrar mil quinientos millones de kilovatios hora al año.

Dado que en el caso del vapor proyectado por las toberas toda la energía se presenta bajo la forma de energía cinética, para que resulte utilizable de manera adecuada es imprescindible poder regular la velocidad de salida del vapor, reduciéndola oportunamente, lo que no se consigue con una sola rueda de palas y con un número de revoluciones tan elevado. Ahora bien, dos años más tarde (1885), la turbina fue objeto de una mejora decisiva debida a Charles Parsons, inventor de la llamada turbina múltiple, que consiste en muchas ruedas de paletas montadas sobre un eje común, hacia el cual se canaliza el chorro de vapor mediante distribuidores interpuestos entre una rueda y otra; se logra así que el chorro percuta contra las palas según el ángulo mas conveniente. Con ése sistema, ya en 1892 se consiguió reducir a cuatro mil quinientas las revoluciones por minuto y elevar la potencia a cien kilovatios .

Hoy las turbinas se accionan con presiones superiores a las cien atmósferas, dotándolas de hasta cincuenta distribuidores, y se consiguen potencias del orden de seiscientos mil kilovatios y velocidades de mil quinientas a tres mil revoluciones por minuto; éstas son las máquinas térmicas, que se utilizan con preferencia en la actualidad en la propulsión de grandes buques y en las centrales de energía eléctrica. Con respecto a las máquinas de émbolo, suponen un rendimiento superior en un veinticinco por ciento y más aún, y presentan, además, las ventajas de proporcionar el movimiento rotatorio directamente y no por medio de una biela y de tener un tamaño y peso relativamente reducidos en relación con su velocidad. De hecho, en una máquina, a igualdad de condiciones de funcionamiento, la potencia que se logra es tanto mayor cuanto más elevada sea la velocidad que se alcance (potencia = trabajo/seg.).

Las torres de enfriamiento de una central térmica sirven, como su nombre indica, para enfriar el agua con la que se ha condensado el vapor.

Los motores de combustión interna

El primer motor de gasolina de cuatro tiempos (1876) y su inventor, Nikolaus August Otto .

Con ayuda de medios ópticos especiales se procede al examen de las bielas que transmiten el movimiento del pistón al árbol motor a través de un árbol acodado (cigüeñal).

Dejemos ahora las máquinas de vapor y pasemos a los motores de combustión interna. Como hemos visto, en las primeras la combustión produce el calentamiento del agua en una caldera, a lo cual sigue el aprovechamiento del vapor así obtenido; en los motores de combustión interna, en cambio, se aprovecha directamente la energía liberada por la combustión que tiene lugar en el interior del cilindro. El cilindro de un motor de explosión, con su pistón, es muy afín, en sustancia, al tubo de un cañón que contiene el proyectil. En el caso del arma, como ya se ha visto, se hace «arder» la espoleta explosiva que monta el proyectil, lo que tiene por consecuencia su inmediata combustión y la producción de gases fuertemente comprimidos que impulsan el proyectil a lo largo del tubo de forma similar, en el cilindro la expansión de la mezcla combustible?aire imprime un empuje al pistón; el movimiento rectilíneo de éste se transforma, como en las máquinas de vapor, por medio de un árbol acodado, en la rotación del árbol de transmisión. El problema consiste en lograr «cargar» y «descargar» en rápida sucesión este «cañón». La primera tentativa de obtener energía de este modo fue realizada en 1673 por el físico Christiaan Huygens, quien utilizó pólvora para ello. Como es lógico, la realización de Huygens representaba un peligro mortal y, en consecuencia, no podía tener utilidad práctica. Por otra parte, tampoco existe posibilidad de alimentar con combustible sólido un cilindro a la velocidad requerida por un motor de alto rendimiento.

Todos los combustibles actuales son, por tanto, líquidos o gaseosos, y los motores de combustión interna sólo se diferencian entre sí por la técnica de la alimentación y de la expansión.

Hay motores de dos y de cuatro tiempos. En estos últimos, el combustible líquido (gasolina) se mezcla con el aire que antes ha penetrado en el carburador; dicha mezcla se efectúa mediante pulverizadores que tienen la misión de atomizar el combustible, sometiéndolo a fuerte presión. La mezcla de aire y vapores de gasolina es aspirada por la cámara de combustión de los cilindros.

En la fase de aspiración, el pistón es empujado hacia el extremo del cilindro (punto muerto inferior); en la fase de compresión se mueve en la misma dirección, pero en sentido contrario (hacia el punto muerto superior); entonces se produce la combustión de los gases comprimidos, y el pistón es empujado de nuevo hacia el punto muerto inferior por la expansión de los gases, generándose de este modo el esfuerzo mecánico. En los motores Diesel, que funcionan con gasoil, la temperatura asciende hasta los 800° C en la fase culminante de la compresión, y el combustible pulverizado entra en combustión por sí solo; en los motores de explosión alimentados por gasolina, la compresión no alcanza cotas tan altas, y la combustión se efectúa mediante chispas eléctricas. En la última fase del ciclo de funcionamiento del motor de cuatro tiempos, el pistón vuelve al punto muerto superior, con lo que expulsa los productos de la combustión (escape) y el proceso empieza de nuevo.

Sección de un motor de cuatro tiempos y cuatro cilindros, refrigerado por aire.

Con este motor efectuó, entre 1893 y 1897, sus experimentos Rudolf Diesel, los cuales le permitieron aumentar el rendimiento en más de un 26 %.

Sólo uno de los cuatro tiempos, pues, proporciona energía, mientras los restantes, por el contrario, la absorben. Para que un motor de este tipo pueda funcionar, es preciso dotarlo de un volante pesado, es decir, de un órgano rodante con un elevado momento de inercia y capaz, por tanto, de mantener el movimiento rotatorio, o bien, como se hace por norma, disponer, como mínimo, cuatro cilindros en un motor, combinando su funcionamiento de tal modo que en todo momento por lo menos uno de ellos trabaje. El hecho de que los cilindros deban ser alimentados antes de que generen potencia explica por qué los motores de combustión interna no pueden ponerse en marcha espontáneamente, a diferencia de lo que sucede con las máquinas de vapor o los motores eléctricos. Por tanto, hay que ponerlos en marcha por un medio ajeno al motor en sí mismo: manualmente, con un motorcito eléctrico auxiliar o con un compresor de aire.

Rudolf Diesel, inventor del motor que lleva su nombre (1858 - 1913)

Como su propio nombre indica, en los motores de dos tiempos el proceso descrito se reduce a dos tiempos. Cuando el pistón se halla en el punto muerto inferior, el cilindro es rociado con la mezcla combustible-aire, sometida previamente a una ligera compresión, lo cual da por resultado, además, expulsar los gases quemados y sustituirlos por otros nuevos. Se produce inmediatamente después la compresión. Cuando el pistón llega al punto muerto superior tiene lugar la explosión. Empujado por la expansión del gas, el émbolo inicia el descenso. Por supuesto, el rendimiento de este tipo de motor resulta ligeramente inferior al de cuatro tiempos, porque siempre se pierde parte de la mezcla; en compensación, el motor es más ligero, porque puede obtener una potencia casi doble de la que se consigue con un motor de cuatro tiempos, con el mismo número de cilindros.

Así funciona el motor de pistón rotativo inventado por Félix Wankel

La cara A del pistón prismático expele los últimos residuos de gases quemados, mientras empieza la admisión. En la cámara situada ante la cara B, la mezcla es comprimida. En la cámara C prosigue la expansión de los gases

El primer motor de combustión interna que funcionó con eficacia fue el construido en 1860 por Etienne Lenoir; se trataba de un motor de dos tiempos que funcionaba con gas del alumbrado, en el cual la ignición de la mezcla de gas y aire se efectuaba eléctricamente, previo cierre de la válvula de aspiración, en el centro del cilindro, por lo que sólo la segunda parte del recorrido del pistón ejercía un trabajo; al volver hacia la posición inicial, el pistón expelía el gas quemado. La potencia conseguida era de 3 CV a 40 revoluciones por minuto; pero el motor tenía dos desventajas: por una parte, su alto consumo y, por otra, la de que no era posible instalarlo en vehículos, porque debía estar conectado a una conducción de gas.

En 1876, Nikolaus Otto, tras una serie de tentativas infructuosas, logró construir un motor de explosión de cuatro tiempos que funcionaba con petróleo ligero; se trataba del que, aunque técnicamente perfeccionado, ha alcanzado la máxima difusión entre todos los motores térmicos. Pero, por lo general, no nos servimos del motor de explosión para producir potencias elevadas.

A tal fin se prefiere el motor Diesel, más pesado y menos veloz, pero que produce, en compensación, energía a menor coste. El Diesel, en efecto, quema un combustible más barato y tiene un rendimiento mayor, que en los modelos más perfeccionados alcanza hasta el 38 %. Se debe a Rudolf Diesel, inventor alemán que lo perfeccionó de 1893 a 1897. Su característica esencial estriba en la ya mencionada inyección de combustible vaporizado en el cilindro, en el cual la ignición se produce de forma espontánea, por la temperatura que genera la compresión.

Sección de m motor de pistón rotativo tipo Wankel

Diseño de un automóvil accionado por el motor Wankel arriba representado

El primer motor de dos tiempos, construido en 1878, y su inventor, Karl Benz (1844 - 1929)

 

En A continúa la admisión, y en B la compresión. En la cámara C, los gases quemados han cumplido su cometido y el rotor, al desplazarse, ha abierto la válvula de escape, de la cual salen los gases quemados

En A continúa la admisión, mientras en B la compresión alcanza su punto culminante. Una chispa eléctrica provoca la ignición de la mezcla comprimida de aire-gasolina, mientras prosigue la expulsión de los gases de escape de la cámara C

La cámara A se ha llenado de nueva mezcla; la compresión se inicia apenas se ha cerrado la válvula de admisión. En la cámara B se produce la expansión de los gases, los cuales, actuando sobre el rotor, accionan el perno excéntrico del árbol motor, al que se transmite el movimiento mediante engranajes, de modo que un giro del árbol motor corresponda a un tercio de giro del rotor. En la cámara C está a punto de concluir la fase de escape.

La turbina de gas

En las turbinas de gas, exactamente como ocurre en las de vapor, se proyectan los gases de combustión directamente sobre los alabes de una rueda, según un principio establecido desde antiguo, cuando en 1791 John Barber patentó una turbina de gas. Pero todas las tentativas de producir energía según este sistema, sencillísimo desde el punto de vista físico, fracasaron en tanto no se pudo disponer de materiales que resistieran las altas temperaturas de los chorros de gas y los grandes esfuerzos mecánicos.

La primera turbina de gas que estuvo en condiciones de competir con el motor de pistón no se construyó hasta 1939; realizada por la firma Brown, Bovery y Cía., tenía una potencia de 4000 kW. En las turbinas de gas, el aire necesario para la combustión es proporcionado por un compresor, que va colocado sobre el eje de la turbina y es accionado directamente por ésta. Al compresor sigue la cámara de combustión, en la cual se inyecta el combustible, cuya ignición produce gases que accionan la pala de la turbina, construida sustancialmente como en la de vapor. La turbina de gas es una maquina sencillísima, de futuro casi ilimitado.

El cohete

Y llegamos a la última de las máquinas térmicas: el cohete.

El funcionamiento del cohete resulta perfectamente comprensible si se tiene en cuenta que se trata, en esencia, de una cámara de combustión en cuyo interior arde sin interrupción una mezcla de carburante y oxígeno, la cual se mantiene constantemente a gran presión, permitiendo que parte del gas escape a través de una tobera.

Lanzamiento de un cohete Atlas.

La energía que deriva de la presión del gas se manifiesta, ya imprimiendo velocidad a los gases de combustión que salen de la tobera, ya imprimiendo movimiento al cohete. Cuanto más velozmente se desplaza el cohete, tanto menor es la velocidad relativa de los gases de escape y, por tanto, mayor la energía que precisa el cohete. Esta situación resulta muy ventajosa tan sólo a altas velocidades, y la ventaja deriva del hecho de que en el proceso se aprovecha directamente la presión de gases sometidos a alta compresión, sin que se produzca ninguna transformación mecánica.

El cohete se empleaba ya en China en el siglo XIII, pero hasta la Segunda Guerra Mundial no se logró construir cohetes de eficacia y potencia suficientes como para poder utilizarlos con fines bélicos.

En el siglo XIX, la propulsión por medio de cohetes excitaba sólo la fantasía de los humoristas

El 23 de mayo de 1928 se celebró en Berlín una carrera de automóviles cohete

Desde 1945 hasta hoy, el cohete A ha sido objeto de tantos perfecicionamientos que se usa en la exploración extraterrestre. Pero, aparte de otras utilizaciones de menor importancia, el cohete se utiliza, sobre todo, con fines militares. También en los aviones se emplea el principio del cohete, aunque en forma un tanto particular. En efecto, si se construye una turbina de gas en la que, una vez suministrada la energía necesaria para que actúe el compresor, el gas salga luego libremente al exterior, la corriente del propio gas, el «chorro» (que alcanza velocidades de 2300 Km. por hora y aún más), imprimirá al vehículo un impulso parecido al que experimenta el mismo cohete, con lo cual, por lo tanto, la hélice resultará innecesaria.

Si se vuela a gran velocidad, el aire es comprimido con tal fuerza en la cámara de combustión que no se requiere compresor y, por tanto, tampoco turbina de gas. Tenemos en este caso el llamado estatorreactor.

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