Fig. 292.
Máquinas de vapor
615. Máquinas de vapor.
Hemos examinado la formación del vapor en aplicaciones importantes á la industria, pero faltan otras, y entre ellas una que veremos, aunque ligeramente; es esta, la grande aplicación del vapor como fuerza motriz, ó sea aprovechando su tensión: esa aplicación tan fecunda en prodigiosos resultados, que está haciendo una revolución completa en el mundo civilizado con las máquinas que pone en movimiento, las cuales trasmiten este para tantas y tan diversas aplicaciones; máquinas admirables, que lo mismo producen su efecto en un punto fijo, como marchando con una prodigiosa velocidad, ya sobre dos barras de hierro, borrando las distancias, ó ya surcando los mares sobre unas tablas, y haciendo vecinos los dos mundos que estos mares separan. Tan útil y prodigioso invento ha sido envidiado de todas las naciones, y no es estraño que cada una suponga hijo suyo al inventor, citando nombres entre los que la España coloca á Blasco de Garay; pero digamos con Arago, que es un error suponer las máquinas de vapor como una sola idea perteneciente á un solo hombre, siendo lo mas exacto suponer que todas las ideas que han formado la máquina completa no pueden haber salido de la misma cabeza. .Desde luego se concibe que solamente podremos dar una descripción muy sucinta de las máquinas de vapor; trataremos sin embargo de hacer comprender su mecanismo del modo mas sencillo que nos sea posible.
616. Máquinas de simple efecto.
Supongamos (fig, 292) un cilindro A abierto por la parte superior, y que comunica con una caldera de vapor desde su parte inferior por medio del tubo B, y con el esterior por medio del D; supongamos cerrado este tubo D y abierto el B; el vapor llega al cilindro y su fuerza elástica vence la resistencia que le opone el piston C y le hace subir: cuando ha llegado a la parte superior, supongamos que se cierra el tubo B y se abre el D; él vapor que se encontrará oprimido por el peso del pistón C saldrá por D, y este piston C bajará; cerrando de nuevo D y abriendo B asciende C otra vez y de este modo continuará con un movimiento alternativo, que se comunicaria por medio de diferentes piezas á donde sea necesario. El mismo efecto se produciria si el cilindro estuviera cerrado solo por la parte superior y entrara el vapor en ella haciendo bajar el pistón, para que después una fuerza cualquiera le hiciera subir. Este es el principio en que están fundadas las máquinas llamadas de simple efecto, en las que, como se ve, el vapor obra solo en un lado del piston.
617. Principio en que se funda la máquina de doble efecto.
Supongamos un cilindro cerrado A (fig. 293), que comunica por B con una caldera de vapor y por C con el esterior; cerremos las llaves D y H estando abierta P y E, y hagamos entrar el vapor, que pasará por P debajo del piston; este, impelido por la tensión del vapor asciende, saliendo por E el aire ó vapor que haya en la parte superior; ciérrense en seguida las llaves P y E abriendo las D y H; el vapor entrará á la parte superior y el que hay debajo del piston saldrá por H á causa de la presion que el mismo piston produce al bajar: continuando de este modo tendrá el piston un movimiento alternativo que se podrá trasmitir á donde sea necesario para producir un efecto cualquiera. En el caso presente el vapor obra encima y debajo del piston, y las máquinas fundadas en este principio se llaman de doble efecto, que son, se puede decir, las únicas que se construyen hoy dia, pues las de simple efecto han sido abandonadas. Entendido lo dicho, pasemos á esplicar las diferentes partes de una máquina de doble efecto completa.
618. Máquinas segun la presión.
El generador ó caldera del vapor queda esplicada anteriormente con todos sus detalles, y solo diremos que si de la caldera sale el vapor á la presión de 1 atmósfera ó poco mas, se llaman las máquinas de baja presion, si sale á mayor presión hasta 4 atmósferas, se llaman de media presion; y si á mayor que 4, se dicen de alta presion. El vapor entra en el cilindro, que es de hierro fundido, y el piston está perfectamente acondicionado para que ajuste exactamente á él, evitando en lo posible el frotamiento.
619. Aparatos de distribución del vapor.
Se concibe bien que el método que hemos indicado para introducir el vapor encima ó debajo del pistón (617), no será el que se emplee, pues solo hemos querido hacer comprender el principio; pero en la práctica es necesario un sistema que produzca el mismo efecto de una manera mas sencilla, y que se produzca además por la misma máquina: varios son los sistemas de distribución del vapor, pero tres los principales; uno de ellos es el siguiente (fig. 294). El cilindro tiene dos canales a y b que van á parar á una caja h unida al mismo, la cual es cerrada y comunica por r con la caldera; tiene además el cilindro un tercer conducto c colocado en tre los dos a y b que comunica con el esterior: otra pequeña caja n que se mueve hacia arriba y hacia abajo por medio del vastago d, completan el aparato; el vapor llega por r á la caja h y en la posición que marca la figura, entra por b al cilindro y hace subir el piston, el cual obliga al vapor de la parte superior á salir por a y c al esterior; habiendo subido el piston, baja la pequeña caja n movida por la misma máquina y hace comunicar el conducto a con la caja h y el b con el esterior por c, de consiguiente entra el vapor sobre el piston por a y sale el de debajo por b y c; subiendo después la caja n se repite lo mismo; el movimiento alternativo del piston se trasmite al vastago A y á las demás partes de la máquina.
Otro método de distribucion (fig. 295) consiste en unir al cilindro principal, por medio de dos tubos H I, otro cilindro de menor diámetro A, que tiene dos pistones B y C movidos por un mismo vastago T, y además un tubo D comunicando con la caldera y dos E F con el esterior; en la posicion que marca la figura, el vapor entra por D y H al cilindro, y sale, por I y F al esterior; después, adelantando hacia I los pistones por medio del vastago T, se pone en comunicacion I con D por donde entra el vapor al cilindro, y H con E por donde sale del mismo al esterior; resulta de lo dicho, que el vastago del piston toma un movimiento alternativo, esto es, sube y baja continuamente, ó se mueve del mismo modo en posicion horizontal.
El tercer método de distribucion del vapor está representado en la figura 296: el cilindro A tiene una cubierta B, de modo que hay un espacio entre los dos cilindros concéntricos A y B; una caja C, que es la de distribución, comunica con este espacio por dos conductos S y D, y en ella se encuentra otro cilindro H abierto por sus dos estremos, pero que adapta á la caja C con guarniciones de estopa O, el cual sube y baja movido por el vastago N; el vapor llega entre los dos cilindros A y B por el tubo E y en la posición que marca la figura, pasa por D y F debajo del piston al que hace subir; pero el vapor comprimido de la parte superior sale por P, y como no tiene otro paso se va por el interior de H al tubo R que le conduce al esterior: supongamos ahora que sube el tubo H;en este caso queda S en comunicación con P y entra el vapor sobre el cilindro, pero F está en comunicación con R, de modo que el vapor contenido debajo del piston sale al esterior.
620. Condensador.
El vapor que sale del cilindro pasa en algunas máquinas á una caja en donde entra agua fria en forma de lluvia por una regadera, y allí se condensa formando vacío y disminuyendo por tanto la presión en la parte del piston de donde sale el vapor, lo que facilita su movimiento; en este caso las máquinas se llaman de condensacion.
621. Espansion.
También hay máquinas en que el vapor cesa de entrar antes que el piston haya llegado al fin de su carrera; en este caso el vapor, que tiende á dilatarse por su fuerza espansiva, hace que el piston concluya su marcha, produciéndose por este medio una economía de vapor; estas máquinas son las que se llaman de expansion.
622. Medida para las máquinas.
La fuerza de las máquinas de vapor se mide con la unidad llamada caballo de vapor (30).
623. Cambios de movimiento.
El piston en el cilindro recibe un movimiento alternativo que en todas las máquinas, con cortas escepciones, se cambia en circular; vamos á indicar dos medios de hacer este cambio, que son los usados generalmente. Uno de ellos consiste en unir el vastago del pistón á uno de los estremos de una palanca, apoyada en su centro, la cual toma el nombre de balancín: al otro estremo se une el de un vastago que recibe el nombre de biela, y está también articulado por el estremo opuesto a un manubrio llamado manivela, el cual está á su vez unido al árbol de la máquina: si el piston sube, la biela baja, y con ella la manivela, moviendo al árbol; si baja sucede lo contrario, y el árbol también se mueve; y para que este movimiento sea de rotacion, esto es, para que la manivela pase de un lado á otro, ó sea de los puntos muertos que serán los dos en que la biela y la manivela están en una misma línea, se une al árbol una gran rueda que, puesta en movimiento, hace con su velocidad que este paso se verifique; mas adelante veremos este cambio de movimiento sobre una figura.
El otro medio (fig. 297) cambia el movimiento sin balancin; el vastago que sale del cilindro lleva en su estremo dos ruedas A, que se mueven en dos cajas como B; en el eje de las ruedas se articula una biela C unida á la manivela D, á la que hace girar con el árbol; este lleva también un volante para hacer pasar á la manivela de los puntos muertos.
624. Diferentes sistemas de máquinas.
Varios son los sistemas, es decir, las formas y detalles de las máquinas de vapor; las hay do Moudslay, que son en general de poca fuerza y no tienen balancín; de cilindro horizontal de varios constructores, en las cuales el vapor se distribuye por el método de los cilindros (fig. 295); las de Watt, que son de balancin con biela y manivela; de cilindro oscilante de varios constructores, en los que el cilindro está sobre un eje y tiene movimiento de oscilacion que hace servir el vastago de biela; y mas modernas, en las que el mismo movimiento oscilatorio distribuye el vapor; se disponen también las máquinas sobre ruedas para poderlas trasportar utilizando su fuerza en el punto donde es necesaria; finalmente, hay varios otros sistemas apropiados á los usos particulares de las máquinas, que sería muy largo enumerar.
625. Maquina de Watt.
Para mejor inteligencia vamos á presentar completas las tres máquinas mas importantes, que son: la fija, la locomotora y la de navegación, suponiendo rotas las diferentes piezas para que se vea su interior.
La figura 298 es una máquina fija completa del sistema de Watt; el vapor viene de la caldera por el tubo A y pasa a la caja de distribución B, igual á la esplicada en la figura 294, de aquí pasa al cilindro C, y el piston cuyo vástago es D, sujeto al paralelógramo a para que se mueva vertical, comunica su movimiento al balancin E, el cual le comunica á la biela F, y esta a la manivela R, que produce un movimiento de rotacion en el árbol H, al que está unido el volante L; en el árbol H hay una escéntrica S, que por medio de una palanca O, formada de varillas, hace mover el sistema de pequeñas palancas P, que suben y bajan la caja de distribución; el vapor sale por el tubo T al condensador K, en que entra agua para la condensacion por una regadera que la toma del recipiente N por medio del tubo X, y este recipiente N la toma del esterior con la bomba Z, movida por el balancin E; del condensador K saca el agua á un segundo recipiente V, la bomba que en él se encuentra, movida también por el balancin, y este agua pasa á otro recipiente G de donde otra bomba, movida por el mismo balancin, la hace salir por medio del tubo I para alimentar la caldera ó para otro uso cualquiera: en un punto de la máquina donde se cree mas conveniente se coloca el péndulo cónico J (36), movido por el árbol; en la figura se supone que recibe el movimiento por medio de la correa Y que le trasmite á un engranaje cónico; á este péndulo va unida la palanca Q, que tiene su punto de apoyo en U y mueve la otra palanca W, que está unida á la llave M, la cual da entrada al vapor en el cilindro, y por tanto la abre mas ó menos según la velocidad, pues separándose las esferas del péndulo cuando la velocidad es grande, elevan la palanca Q por el lado de J y baja por el otro, haciendo que la palanca W cierre en parte la llave M para que entre menos vapor y disminuya la velocidad. Se concibe que dentro de este mismo sistema pueden las diferentes piezas estar colocadas en muy distintas posiciones, variar las trasmisiones de movimiento, faltar el condensador, y en fin, modificarse de varias maneras; pero lo que hemos dicho nos parece será suficiente para comprender el modo de funcionar de las diferentes piezas de una máquina de vapor, y entenderemos una cualquiera, aunque esté dispuesta de distinto modo ó sea de otro sistema que la que hemos presentado.
626. Máquinas locomotoras.
Las locomotoras ó máquinas movibles, que son las que producen la fuerza que arrastra los carruajes en los caminos de hierro, tienen diferente disposición (fig. 299). Sobre una plataforma fuerte de hierro se coloca la caldera, compuesta, según hemos indicado ya (567), de tres partes distintas: la primera A, es la caja de fuego, donde se encuentra el hogar cuya puerta es B, el cual está rodeado del agua de la caldera, la que se puede vaciar por C; el humo resultante de la combustión pasa por los tubos D, que son en número de 100 á 120, los cuales están rodeados del agua que contiene el cuerpo E, y dan paso al humo hasta el tercer cuerpo F ó caja de fuego, marchando por la chimenea G: con estos tubos se aumenta mucho la superficie de caldeo: el vapor formado en la caja de fuego A y la caldera E so reúne en el espacio H encima del agua y en el recipiente I; en este recipiente hay un tubo J cerrado con una válvula K que puede abrir ó cerrar el maquinista que dirije el convoy, moviendo el manubrio N por medio de las varillas L: por este tubo se toma el vapor que va por el tubo M, y por otro semejante al lado opuesto, á las cajas de distribucion O, iguales á la de la figura 294, y movidas por el vastago b unido con las palancas d á unas escéntricas del eje; de aquí pasa al cilindro P y hace mover el piston Q, que comunica su movimiento por la hiela R á la manivela S, lo mismo que se ha dicho en la figura 297, y esta biela hace girar la rueda motriz T, dando movimiento a su eje: cuando el piston Q llega á los puntos muertos, el del otro lado está en el centro; de este modo la máquina no se para á pesar de no tener volante (623): el vapor que ha hecho mover el piston, sale de la caja O por un tubo posterior que pasa por la caja de fuego á la boca U, por la que sale á la chimenea y aumenta el tiro: esta boca suele estar formada de piezas, de modo que el maquinista desde su puesto, dando vueltas á un manubrio, hace mayor ó menor; en X hay una válvula de seguridad de las de resorte (fig. 268) y en Z otra á la mano del maquinista, como también uno ó dos pitos V. Para cambiar la direccion de la máquina, hay que cambiar la del piston, y por consiguiente la entrada del vapor; esto se consigue con la palanca W que el maquinista lleva á un lado ó al otro, y entonces por medio de las palancas Y, se mueve en la pieza a la varilla b de la caja de distribucion y la hace adelantar á un lado ó al otro, de modo que cambia la entrada del vapor y la rueda motriz gira en sentido contrario: la misma palanca W mueve la caja de distribucion del costado opuesto al mismo tiempo. El anillo e es para unir á la máquina el tender ó carruaje que la acompaña siempre, en el que va combustible y el agua de alimentacion: los tubos h son para que el agua tomada por una bomba movida con la misma máquina, venga por ellos á alimentar la caldera: t es la linterna para señal de noche, y m un registro de la chimenea que se abre ó cierra con el manubrio n. Las ruedas tienen en sus ejes una caja como la r donde se echa la grasa que ha de disminuir los frotamientos (42). Generalmente los tres cuerpos A E y F se cubren de madera que se pinta al óleo; de este modo no es necesario limpiar la máquina, como habría que hacer si fuera de metal sin cubierta, y al mismo tiempo la madera resguarda al metal de las abolladuras que pueden resultar con un golpe en el esterior. En algunas máquinas no existe el cuerpo I, en cuyo caso el tubo J toma el vapor en la caja de fuego A; también la rueda motriz suele estar en un estremo, en lugar de hallarse en el centro.
627. Máquinas de navegacion.
Las máquinas destinadas á la navegacion (fig. 200) son como las fijas, variando solo la disposicion de sus diferentes partes, y arreglando las calderas para que en el menor espacio posible puedan colocarse y producir el mayor efecto aun á costa del combustible. La figura 300 representa una de estas máquinas; el cilindro es doble y el vapor llega por A al espacio S, comprendido entre sus dos cubiertas, pasando á la caja de distribucion J, en la que se mueve la pieza T, que hace la distribucion como hemos esplicado en la figura 296: elevándose el piston B, sube el vástago C, y con él los dos balancines D por un lado, y bajando el piston, bajan también los balancines por el mismo lado, de lo cual resulta en ellos un movimiento alternativo, que por la biela U se comunica á la manivela que hace mover el árbol sostenido en los soportes X, los cuales apoyan sobre las columnas L: una escéntrica colocada en el árbol mueve el vástago N, y este por medio de un juego de palancas M produce el movimiento de la pieza T de distribucion: el vapor, al salir del cilindro, pasa á la parte inferior del recipiente E, que está dividido en V por un diafragma que forma de él dos cuerpos separados; en esta parte inferior, que se ve en O, se hace la condensacion, y el agua que de ella resulta se estrae con una bomba cuyo cuerpo es G, y el vástago de su piston H, movido por los balancines; esta bomba es aspirante (271), con una válvula en el piston y otra que es la P; el agua pasa á la parte superior de E, y una nueva válvula F la impide volver al cuerpo de bomba G, de modo que se va elevando en E hasta que sale á verterse al esterior por un tubo colocado en la parte alta de E; en estas máquinas no hay volante, pero se pasan los puntos muertos aplicando al árbol dos máquinas en vez de una, y poniendo las manivelas en ángulo recto, de modo que cuando la una está en el punto muerto la otra está trabajando con su mayor fuerza: en R se ve parte del espacio que hay en el barco, todavía mas abajo. El objeto de estas máquinas es el de producir un movimiento de rotación á dos ruedas de paletas Z colocadas á los costados del barco, las cuales producen el efecto de los remos para hacerle marchar.
También se aplica la máquina, en otro sistema moderno, á producir un movimiento de rotacion en una hélice ó tornillo que se coloca en la parte posterior del barco dentro del agua (fig. 301): para entender cómo se efectúa el movimiento, supongamos que unido al buque hay un tornillo, y fuera, fija en un punto, se tiene una tuerca donde entra este tornillo; en tal caso, es evidente que el barco avanzará hacia la tuerca: pues de la misma manera se efectúa el movimiento con el tornillo A, el cual al girar forma la tuerca en el agua, y aunque esta tuerca no sea tan resistente como si fuera sólida y fija, lo es sin embargo bastante para producir el movimiento del barco, tanto mas rápido cuanto mayor sea la velocidad del tornillo. Este sistema, si no tan bueno en calma como el de ruedas de paletas, porque produce una velocidad algo menor según algunos ingenieros, es preferible en mar agitado, porque estando el tornillo sumerjido dentro del agua, es siempre el impulso uniforme, y no esperimenta las variaciones que resultan en el de ruedas, á causa de que estas salen y entran en el agua ya á un lado ya al otro con los movimientos que las olas producen en el barco; además, la máquina, colocada mas baja, produce mejor efecto para el equilibrio del buque, el cual también queda mas desembarazado para el servicio, sea el que quiera, ó para el establecimiento de baterías en los de guerra, siendo en estos todavía mas ventajoso, porque una rueda se destruye fácilmente y un tornillo no, por estar dentro del agua: varias son las formas que se han dado á los tornillos con el objeto de aprovechar mejor la fuerza de las máquinas, pero esto no hace cambiar el sistema en general.
628. Máquinas de diferentes vapores.
Se ha tratado de sustituir el vapor de agua con el de otros líquidos ó con gases, ya combinando vapores ó ya empleando uno solo, principalmente el del éter por su fuerza elástica, 32 veces mayor que la del vapor de agua (419), y necesitar menos calor, pues su capacidad calorífica es la mitad de la del agua (406); pero hasta ahora no se han hecho mas que ensayos que han dado resultados poco satisfactorios por diferentes causas, y principalmente por el mayor gasto que ocasionan. En la Esposicion universal de París se ha presentado alguna máquina para funcionar con otros vapores, pero en ella era mas de admirar la buena construccion para no dejar salir el sutil vapor de otros líquidos, que el resultado producido industrialmente considerado. Es pues un problema que, si se puede suponer resuelto científicamente, no lo está sin embargo para la industria. La combinacion de vapores se ha hecho generalmente empleando el calor de la condensacion del vapor de agua que obra en un cilindro, para producir vapor de otro líquido mas volátil que obra en un segundo cilindro, habiendo dado buenos resultados el cloroformo; pero repetimos que estas cuestiones no están resueltas todavía industrialmente.
629. Máquina calórica.
Se ha tratado también de sustituir el aire al vapor, y se han propuesto para ello varios medios que; mas ó menos ingeniosos, no han dado los resultados que sus autores se proponian. Un solo método que ha ocupado la atención del mundo científico, y que en la actualidad se aguardan sus resultados con interés, sin que pueda decirse en este momento cual sea su porvenir. es el presentado por Ericson, que aunque no muy conocido vamos á presentar en general, sin entrar en detalles de la máquina, que todavía perfecciona su autor, y á la que ha dado el nombre de máquina calórica (fig. 302). Supongamos un cilindro AH, en el que se mueve el émbolo B con su vástago C; á la parte A bajo del émbolo, llama el autor cilindro de trabajo, y á la parte H cilindro surtidor ó alimentador; este cilindro tiene una válvula en N que se abre hacia dentro, y está unida á un espacio D, que sirve para depósito de aire, por medio de un conducto en el que hay otra válvula S, que se abre hacia el depósito: tiene también este depósito una salida en R, tapada con una válvula que puede abrirse y cerrarse por la misma máquina, y por esta salida se pone en comunicacion D con un espacio P llamado el regenerador, en el cual hay hasta 200 ó mas telas metálicas; este regenerador comunica directamente con el cilindro de trabajo: en la comunicación de la abertura R con P, hay un tubo T que sale al esterior, y además una válvula E que se abre con la misma máquina: debajo del cilindro de trabajo hay un hogar M: encendido el hogar, el aire en A se calienta á una temperatura de 250°, tomando un volumen próximamente doble (371), pues 1 + 0,003665 x 250 = 1,916, que es número muy poco diferente de 2; en este tiempo la bomba impelente L ha hecho entrar aire en D para que se encuentre comprimido, y en tal estado, dilatado el aire de A y elevado el émbolo empieza á funcionar la máquina: para ello está abierto E y cerrada R; baja por su peso el émbolo entrando el aire esterior por N, y el aire caliente de A, que pasa por los innumerables agujeros de las telas metálicas de P, se enfria dejando en ellas su calor y sale por E y T al esterior: entonces se cierra E y se abre R; el aire del depósito D pasa por P y toma el calor que dejó el aire anterior al salir, por cuya razon se dilata y hace elevar el émbolo, el cual comprime el aire de H que pasa por S al depósito D cerrándose N; cuando ha llegado al fin de su carrera se cierra R, se abre E, el émbolo baja por su peso, el aire de A se sale al esterior por E, dejando su calor en las telas, y de este modo continua funcionando la máquina, que produce un movimiento en el vastago C, el cual se trasmite donde es necesario: el aire al pasar por P se enfria casi completamente, pero siempre se lleva algo de calor; este y el perdido por otras causas es el que se conpensa con el hogar encendido, que gasta mas combustible en la práctica que el que resulta en la teoría. Se han construido máquinas de éste sistema, y los resultados han sido satisfactorios, pero todavía están lejos, estas máquinas, á lo que parece, de poder sustituir á las de vapor.
"Manual de física general y aplicada á la agricultura y la industria" Eduardo Rodríguez
Ingeniero industrial; doctor en ciencias y ex-catedrático de la Universidad de Madrid; ingeniero químico de la Escuela Central de París; profesor de física general y aplicada en el Real Instituto Industrial
Madrid, 1858
Imprenta, fundición y librería de Don Eusebio Aguadó
