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M q u i n a d e v a p o r

1 1 2 . 4 2 0

Michael Clever / Rolf Kiefer

Datos tcnicos

Caldera: Mquina:

Volumen: 110 cm3 Dimetro del cilindro: 8 mm

Presin de trabajo: 1,5 bar Carrera del pistn: 24 mm

Presin de prueba: 4,5 bar Velocidad en vaco: 800 r.p.m

Volumen de agua: 50 - 60 ml Ao de construccin: ....... ....... .......

NOTALas maquetas de OPITEC, una vez terminadas, no

deberan ser consideradas como juguetes en el sen-tido comercial del trmino. De hecho, se trata de

material didctico adecuado para un trabajo pedag-gico. Los menores slo deben realizar los trabajosrelacionados con este kit bajo la supervisin de un

adulto. No apto para nios menores de 36 meses,ya que existe riesgo de asfixia.

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ndice Pg

Principios fsicos de la mquina de vapor 6

Funcionamiento de la mquina de vapor oscilante 7

Herramientas y mquinas necesarias 9

Medidas de seguridad para la construccin y uso decalderas de vapor 10

Construccin de la mquina de vapor 10Instrucciones para la construccin del generador de vapor 11- Construccin del quemador 12- Construccin del soporte de la caldera 13- Construccin de la caldera 14- Construccin de la vlvula de seguridad 15

Instrucciones para construir el convertidor de vapor 16- Planos de construccin 17- Lista de piezas e indicaciones de trabajo 18- Convertidor de vapor 19- Cilindro 20- Perforaciones de admisin y de escape 21

Puesta en marcha y mantenimiento 21

Recomendaciones prcticas 23

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Kit Opitec para construir una mquina de vapor======================================

1 El kit para construccin individual contiene las piezas para la construc- cinde una mquina de vapor.

(El combustible slido y la soldadura de plata se han de pedir a parte.)

N . Cantidad Descripcin Medidas en mm Aplicacin

1 1 Perfil de aluminio en "U 16,5 x 100 Quemador I 2 1 Perfil de aluminio en "U 19,5 x 100 Corredera 3 2 Tornillos. 2,9 x 13 Fijacin de la corredera 4 4 Arandelas galvanizadas 3,2 Fijacin corredera 5 1 Tuerca exagonal M4 Fijacin de la empuadura 6 1 Tornillo cilndrico M4 x 25 Fijacin de la empuadura

7 2 Lmina de latn 63 0,4 x 165 x 75 Soporte de caldera y abrazaderas II 8 8 Remaches 3 x 4 Soporte de caldera + Fijacin de bridas 9 5 Tornillos para chapa 2,2 x 6,5 Fijacin del soporte10 1 Cilindro de latn 63 40 x 1 x 100 Caldera11 2 Tapas de latn 58 40 x 3 Caldera12 1 Tuerca exagonal latn 63 M6 Cierre de la caldera13 1 Tornillo exagonal latn M6 x 10 Vlvula de muelle III

14 1 Tornillo roscado parcialmente M3 x 30 15 1 Tuerca de latn M3 16 1 Muelle de presin Nirosta 0,4 x 4 x 17,5 x 8,5 17 1 Junta trica de caucho 3 x 1

18 1 Arandela de aglomeradode papel 10 x 5,8 x 1

19 1 Escuadra de latn 100 x 20 x 20 x 2 Soporte de ejes IV20 4 Tornillos cabeza cnica 3 x 20 Fijacin del soporte

21 1 Cilindro mecanizado de latn 40 x 15 x 15 Convertidor de vapor V22 1 Pistn de latn 8 x 12 23 1 Muelle de presin Nirosta 0,4 x 4x 17,5x 8,5 Palier del cilindro24 1 Tuerca de latn M3 25 1 Varilla roscada de acero M3 x 20

26 1 Arandela de latn 3,2 27 1 Varilla de latn 4 x 68 Biela

28 1 Disco de latn 50 x 4 Volante VI29 1 Varilla cilndrica de acero 4 x 10 Eje excntrico30 1 Casquillo de fijacin de latn Palier de la biela31 1 Tubo de latn 6 x 1 x 20 Palier del volante32 1 Varilla de acero 4 x 36 Eje del volante33 2 Arandela de latn 4,3 Palier del volante34 1 Polea de latn con anclaje Polea de arraastre

35 1 Tubo de cobre 4 x 1 x 160 Conducto del vapor VII

36 1 Listn de madera 140 x 140 x 10 Base VIII

37 1 Listn de madera 100 x 20 x 25 Soporte del mecanismo38 1 Varilla de madera 8 x 50 Empuadura del quemador

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VISTA DE CONJUNTO

BASE

Soporte de la mquina

Posic

indel

sopo

rte

Posic

inde

la

calde

ra

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Despiece

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PRINCIPIOS FSICOS DE LA MQUINA DE VAPOR

Las mquinas de vapor pertenecen a la familia de los convertidores de energa qumica en calor ydespus el calor en energa mecnica.En la mayor parte de los casos la produccin de calor se efectua por combustin de combustibles slidos,generalmente hulla.La mquina de vapor se clasifica como una mquina de motor trmico de combustin externa, ya que elcombustible se quema fuera del cuerpo de la mquina, en oposicin a los motores de combustin interna,como los de automvil, que queman el combustible en el interior del cilindro de trabajo.

Las mquinas de combustin externa utilizan un fluido (en este caso vapor de agua) para transmitir la en-erga calorfica producida.La transformacin en energa mecnica se produce ne dos fases:

1. - En la caldera la energa calorfica calienta el agua hasta convertirla en vapor, el cual se expandey genera presin.

2. - La presin del vapor se utiliza para hacer funcionar las partes mecnicas de la mquina..

VAPORIZACIN Y CONDENSACIN:

La transformacin de un cuerpo de estado lquido a estado gaseoso se llama vaporizacin y la temperatu-ra a la que se produce esta transformacin se denomina temperatura de ebullicin.Esta transformacin necesita una cantidad de energa especfica que se denomina calor de vaporizacin.

Para calentar en un grado de temperatura (Celsius) un gramo de agua se necesitan 4,2 joules, mientrasque para convertir un gramo de agua en vapor se necesitan 2.257 joules.La necesidad de tanta energa adicional se debe al gran volumen que toma el vapor en comparacin conel agua, de 1.673 veces a presin normal.Si el vapor de agua no dispone de volumen suficiente (la caldera tiene un volumen limitado), aumenta lapresin a medida que el vapor se va expandiendo. Esta presin se puede usar para mover un pistn haciaatrs y hacia delante.A medida que la presin aumenta, tambin cambia el punto de ebullicin, as a presin de 2 bars, el puntode ebullicin del agua se situa aproximadamente en 120C en lugar de los 100C en condicones de pre-sin atmosfrica normal.Este principio se utiliza en las ollas a presin para cocer alimentos en menor tiempo (mayor temperatura),ahorrando energa y prdida de vitaminas de los alimentos.

El proceso inverso se realiza cuando el vapor de agua se enfra, producindose la condensacin. Aqu selibera la misma cantidad de energa que la necesaria para obtener el vapor. Se puede ver la condensacincomo gotitas de agua cuando el vapor toca una superficie fra, pero como gas, es invisible.

FUNCIONAMIENTO DE LA MQUINA DE VAPOR OSCILANTE

En condiciones normales, la construccin de un modelo de mquina de vapor de corredera ira ms alldel marco escolar e incluso podra no haber tiempo suficiente para terminar el proyecto. Pero sin embargo,si es posible construir una mquina de vapor oscilante.La ventaja de esta mquina reside en el hecho de que se puede obviar la cruceta del pistn y el de la cor-redera para la distribucin del vapor. La ventaja de este motor reside en su simple diseo que lo hace muymanipulable a la vez que robusto y eficaz. De hecho de este tipo eran los que existan en la poca de losbarcos de vapor.

Este tipo de motor no result rentable porque resultaban de difcil control las enormes masas que seponan en movimiento y adems se estaba en permanente situacin de sobrecalentamiento del mecanis-mo, lo que poda parar la mquina.La mquina de vapor oscilante pertenece al tipo de motores de presin mxima para las que la admisin yel escape de vapor son determinantes para los cambios de posicin del cilindro. La movilidad del cilindrose obtiene fijndolo sobre un eje alrededor del cual puede oscilar. El cilindro est apretado contra la super-ficie del mecanismo con un muelle y fijado por dicho eje. Las dos superficies de rozamiento deben estar lomas lisas posible.En el cilindro hay una perforacin y en la superficie del mecanismo sobre la que oscila hay dos perforacio-nes, una para la admisin del vapor procedente de la caldera (puerta de entrada) y y otro para el escapedel mismo (puerta de salida). Cuando el cilindro oscila, pone su perforacin de forma sucesiva frente delde admisin y despues del de escape.Cuando el cilindro est enfrente de la admisin, el vapor a presin entra entra en el cilindro y empuja elpistn.y este movimiento de traslacin del pistn se transmite a travs de la biela al volante y se transfor-ma en movimiento de rotacin.La inercia del volante retoma el pistn que bascula al mismo tiempo colocndose entonces enfrente de laperforacin de escape y el vapor que contiene se libera. A continuacin y debido a la inercia de las piezas,se vuelve a colocar enfrente de la perforacin de admisin y el ciclo se reinicia de nuevo.

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POSICIN IEl pistn est aproximadamente a 1

mm del final del cilindro y ambas puer-tas estn cerradas. El palier de la bielaest en el punto muerto posterior(PMP)

POSICIN IIEl palier de la biela est a 80 delPMP, La perforacin del cilindro estahora alineada con la puerta de entra-da (admisin). El vaspor entra en el ci-

lindro y empuja el pistn hacia delante.(Ver la doble flecha).

POSICIN IIIEl palier de la biela est ahora en elpunto muerto anterior (PMA), fin de re-corrido. La perforacin del cilindro estahora alineada entre las puertas deentrada y salida y por tanto admisin yescape cerrados. Sin embargo el vo-lante continuar movindose por la in-

ercia.

POSICIN IVEl palier de la biela est ahora a unos80 por debajo del punto muerto po-sterior (PMP). La perforacin del cilin-dro est alineada con la puerta de sali-da (escape) y el vapor es evacuadohacia el exterior. (Ver la doble flecha)

FUNCIONAMIENTO DE LA MQUINA DE VAPOR OSCILANTE

PMP

80 del PMP

80bajo

PMP

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Escuadrasoporte

Cilindro

Bielaconpistn

Volanteconpalier

excntrico

Consejo:

Recortarlos

planos

de

las

piezas

y

montarlasconencuad

ernadores

Truco:

Hacerunmodelodem

etacrilato

Planosparalaconfeccindelmodelodepruebade

lamquina

E1,5:1

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HERRAMIENTAS Y MQUINAS NECESARIAS

Sierra manual para metales

Limas para metal

Tornillo de banco

Martillo de cerrajero (200 gr)

Destornilladores

Alicates de corte oblicuoEscuadra graduada

Regla metlica

Pie de rey

Chinchetas

Punzn

Brocas para metales (2 - 2,5 - 3,1 3,5 3,9 4 6 mm)

Machos e hileras M3 y M6

Llaves M3 y M6

Broca cnica para avellanarTijeras para metales

Remachadora

Taladro vertical con soporte y mordaza

Equipo de soldadura a gas con sopletes finos y medios

Superficie de trabajo ignfuga (barro, cermica)

Bomba de aire con manmetro

Pesacartas

MATERIALES TILES

Trozos de madera y de metal

Hilo de soldar con 40% plata y dimetro 1,5 m

Pasta desoxidante para la soldadura de plata

Soldadura blanda y pasta desoxidante

Cola resitente hasta 150

Papel de lija (Grano 100, 200, 280, 400, 500)

Estropajo fino de aluminio

Pulidor de metales

Aceite para mquinas

Trapos de algodn

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Medidas de seguridad para la construccin y uso de la mquina de vapor

Aunque en materia de construccin de calderas puede hacerse referencia a las normas en vigor quepermiten construir verdaderas mquinas infernales, es ms razonable para el mbito escolar referirse alas normas DIN 660 70 o bien a la norma europea DIN EN 71, paraevitar los riesgos al mximo.

Recomendaciones ms importantes para las normas DIN 660 70:

1. - No deben haber ni aristas ni ngulos vivos o cortantes

2.- Debe haber proteccin contra la corrosin

3.- Debe limitarse la temperatura de las piezas manipuladas

4.- Calentar la caldera con combustibles no peligrosos, si es posible slidos.

5.- La presin de trabajo de la caldera debe limitarse a 1,5 bar y su capacidad a 2 litros.

6.- Debe existir una vlvula de seguridad de muelle de material inoxidable limitando permanentemente la

presin a 3 bar (el doble de la presin de trabajo).

7.- La presin mxima soportable por la estructura debe ser de 4,5 bar (tres veces la presin de trabajo).

Las pruebas debern hacerse bajo el agua o por toma de presin bajo presin de agua.8.- La caldera debe estar provista de un dispositivo que permita conocer el nivel de agua.

9.- Cada mquina deber referenciarse con:

- el nombre del constructor y el ao de fabricacin

- la presin de servicio

- la capacidad de la caldera en litros

- la presin de la prueba de resistencia

El dispositivo indicado en el epgrafe 8 no es posible montarlo en el marco de una construccin escolar.Sin embargo, por ello, no hay ningn riesgo de explosin de la caldera ya que si le falta agua, se produ-cir un sobrecalentamiento que producir una prdida de estanqueidad.

CONSTRUCCIN DE LA MQUINA DE VAPOR

Eleccin de materiales Cobre Latn

Para la construccin de mquinas de vapor se utilizan preferentemente metales pesados no frricos por-

que transmiten bien el calor y se mecanizan con facilidad.

El material ideal para la construccin de calderas es el cobre porque es resistente a la corrosin y tieneunas excelentes propiedades conductoras. El cobre es aproximadamente cuatro veces ms conductortrmico que el latn.

Esta ventaja, se convierte en una desventaja para hacer una soldadura fuerte. Por ello se utiliza latnpara la caldera y para los componentes de la mquina con objeto de poder efectuar las soldaduras msfcilmente.

El latn es una aleacin de cobre y zinc y est disponible en muchos formatos: barras, lminas, tubos,etc. Es razonablemente sencillo de trabajar y tiene una solidez suficiente incluso con espesores delga-

dos.

No obstante se debe indicar que el latn se endurece con el paso del tiempo y pueden producirse grie-tas despus de mucho uso.

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Las aleaciones de cobre y zinc existen con diversos paorcentajes y con caractersticas diferentes. Cadaproporcin tiene sus propiedades (blando, medio, duro). La resistencia y dureza del latn aumenta conel aumento de la proporcin de zinc y otros componentes y tambin con manipulaciones como la lamina-cin en fro. Al calentarlo a unos 800 el latn se vuelve maleable y a temperaturaas ms altas se harquebradizo..

Pruebas: Una tira de latn cuesta de doblar. El metal tiene tendencia a volver a su forma inicial.Cuando se recuece, se vuelve blando y se dobla fcilmente, conservando la forma que

se le da. Si a continuacin se forja la pieza en fro, cuesta de doblar y no conserva laforma que se le da: la rigidez y la dureza del metal vuelven a sus valores iniciales..

CARACTERSTICAS TCNICAS DEL COBRE Y DEL LATN

CONSTRUCCIN DE LA MQUINA DE VAPOR

La construccin se inicia con la base, de madera dura o de contrachapado grueso y de unas medidasaconsejadas de 14 x 14 cm.

Despus se construye el quemador y el cajn gua. Se construyen con los perfiles de aluminio en "U.Usar este sistema de corredera permite una regulacin precisa de la combustin sin elementos suple-mentarios.No debe fijarse el cajn gua en la base hasta que haya finalizado la construccin de la mquina devapor.

Con las tiras de latn se realiza el soporte de la caldera y los collares de fijacin. Se aconseja realizaranticipadamente una maqueta de cartn a escala para darse cuenta bien del montaje de las piezas yevitar errores de doblado en el montaje definitivo.La divisin del soporte de la caldera en dos piezas simplifica el trabajo. Se pueden realizar las perfora-ciones y los cortes de las dos piezas de una sola vez colocando una encima de la otra.. Las perforacio-nes y cortes deben realizarse antes del doblado de las piezas.Si las piezas se realizan con precisin se pueden montar fcilmente con remaches.

La caldera se fabrica con un tubo de latn que se cierra por los dos extremos con dos discos. La perfo-racin para la vlvula de seguridad debe hacerse necesariamente antes de la soldadura fuerte de losdiscos. Se aconseja usar hilo de estao con alto contenido de plata, de este modo se podr fundir conun sopleta de mano de gas.

El control de la estanqueidad y de la resistencia a la presin de la caldera debe hacerse con una bombade aire o compresor hasta una presin mxima de 4,5 bar, colocando la caldera debajo del agua. Solodebe montarse la caldera despues de haber hecho esta comprobacin.

Material Smbolo Composicin- Densidad Temperatura- Conductividad- Resistencia de fusin trmica a la traccin

g W NCobre Cu 99,9% Cu 8,9 ------ 1083C 372------- 250-------- cm3 mK mm2

g W NLatn Cu-Zn 67% Cu, 8,6 ----- 930-1100C 93------- 300-400--------

33% Zn cm3 mK mm2

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CONSTRUCCIN DEL QUEMADOR Y DEL CAJN GUA:

a) - Construccin del cajn gua (con el perfil de aluminio en "U de 19 mm de ancho)

Hacer dos cortes laterales a 10 mm de un extremo, eliminar los trozos laterales y doblar hacia arriba la

base formando un tope.

Serrar lo que sobresalga y limar.

Hacer dos perforaciones de 3 mm en el fondo para los tornillos de fijacin)

NOTA: Se aconseja no fijar el cajn gua directamente sobre la base de contrachapado, sino colocan-do algunas arandelas en medio para separar el calor de la madera.

b) - Construccin del quemador (con el perfil de aluminio en "U de 16 mm de ancho)

El quemador corre por el cajn gua y sirve para contener verticalmente dos tabletas de combustible es-pecial.El aire necesario para la combustin entra por las perforaciones realizadas en los laterales del quema-dor. Aunque estn medio cubiertos por el cajn gua, son suficientes.

Hacer dos cortes laterales a 10 mm de cada extremo, quitar los laterales y levantar la base de ambosextremos para cerrar la caja.

Hacer una perforacin de 4 mm para fijar el mango (tornillo M4 x 25).

Hacer 4 5 perforaciones de 4 mm en cada lateral del quemador para la circulacin de aire. Hacer lasperforaciones encaradas de una sola vez en ambos laterales.

Fijar el tornillo de cabeza cilndrica para el mango con una tuerca M4. Perforar parcialmente la barra demadera de 8 mm con una broca de 3,5 mm y roscarla sobre el tornillo como empuadura.

Quemador Cajn Gua

Perforaciones para los tor-nillos de fijacin(Tornillo para chapa)

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Soporte de la caldera

E 1 : 1

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29

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Lista de piezas

N. Descripcin Material Medidas

1 Cilindro CuZn 37 1 x 40 x 98 mm

2 Discos CuZn 39 Pb 3 Exterior/Interior 40/38 x 3 mm

3 Tuerca exagonal CuZn 37 M6 (DIN 934)

Construccin:

Hacer una perforacin de 6 mm en el cilindro.

Aplanar con una lima la zona del cilindro donde se va a soldar la tuerca M6.

Limpiar de xido los alrededores de la zona a soldar con lana metlica y limpiar el polvo.

Aplicar decapante en la zona a soldar y colocar y soldar la tuerca usando el soplete e hilo de estao con40 % de plata o soldadura blanda.

Colocar los discos laterales y soldar, repitiendo las operciones indicadas antes.

Dejar enfrar lentamente las soldaduras.

Comprobar la estanqueidad y resistencia del recipiente efectuando una prueba con la caldera debajo delagua a una presin de 4,5 bar.

Pulir la caldera con lana de aluminio.

Caldera

E 1 : 1

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CONSTRUCCIN Y CLCULO DE LA VLVULADE SEGURIDAD

La vlvula de seguridad es una parte muy importante de la mquina de vaporprotegiendo la caldera de presiones de trabajo demasiado altas a la vez quehace de cierre de la caldera y de tapn para el llenado de la misma.

La vlvula se construye con un tornillo M6 de latn, un tornillo M3 parcialmenteroscado con cabeza Allen, una tuerca M3 de latn, un muelle de presin y dosjuntas de estanqueidad.

El tornillo M6 debe acortarse dejando 5 mm de rosca y hacerle una perforacincentral de 3,5 mm

El tornillo M3 debe pasar a travs de la junta trica de estanqueidad y del M6cortado y agujereado, fijndose con un muelle y una tuerca M3.

Entre el tornillo M6 y la tuerca M6 de la caldera, se colocar otra junta de estan-queidad.

Antes de montar la vlvula, debern limarse las esquinas de la tuerca M3 de

forma que pueda pasar por el interior de la perforacin y de la tuerca M6 de lacaldera.

CLCULO DE LA FUERZA DE LA VLVULA DE SEGURIDAD:

La presin de vapor de agua que se ejerce sobre una superficie "S correspon-diente a un disco de 0,35 cm de dimetro (dimetro de abertura de la caldera atravs de la perforqacin del tornillo M6 de la vlvual); radio = 0,175 cm.La superficie sobre la que presiona el vapor es:

S = (Pi x r2) = (Pi x 0,175 x 0,175) = 0,1 cm2

NNosotros queremos regular la presin de la vlvula a 2 bar = 20------

cm2

Usando la frmula

Por lo que a una presin de 20 N/cm2, le corresponder una fuerza de:F = p S

N: F = 20------ 0,1 cm2 = 2 N cm2

Esto significa que la vlvula de seguridad construida, debe abrirse cuando seaplica un peso de 200 gramos.Antes de montar la vlvula en la caldera, debe ajustarse y probarse usando unabalanza pesacartas o de cocina.

No debe ajustarse la vlvula de seguridad a ms del doble de la presin de tra-bajo (1,5 bar = 150 gr). La vlvula debe abrirse al aplicarle un peso de 300 gr.

Al estar el cilindro oscilante ajustado contra la base con un muelle, dicho meca-nismo acta como segunda vlvula de seguridad, proporcionando una seguridadmxima.

3,14 0,352

S = - d2 = -------------------- 0,1 cm2 4 4

Fuerza FPresin = ------------ p = --- Superficie S

Tornillo M3 par-cialmente rosca-do

Junta trica deestanqueidaad

Junta de estan-queidad (aglome-rado)

Muelle de pre-sin

Tuerca M3

Tornillo roscadoM6 perforacin de3,5 mm

Vlvula de muelle

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INSTRUCCIONES PARA CONSTRUIR EL CONVERTIDOR DE VAPOR

El convertidor transforma la energa trmica del vapor de agua en energa mecnica produciendo movi-miento.

Las partes del convertidor son:

Escuadra soporte de los ejes Cilindro y pistn

Biela y palier de la biela Volante con mecanismo de transmisin

El convertidor de vapor es una parte muy importante de la mquina y requiera la mxima precisin en suconstruccin.Es necesario por lo tanto no impacientarse en su realizacin y hacer un trabajo esmerado y muy cuida-doso.Las fases de trabajo son:

I - Escuadra soporte del convertidor

- Hacer las dos perforaciones para los tornillos de fijacin y avellanarlos.

- Marcar y taladrar las perforaciones para los paliers del cilindro y del volante. Sealar con precisin

la posicin de las perforaciones marcndolas con un punzn antes de perforar.

- La superficie sobre la que se desplaza el cilindro debe estar absolutamente plana y muy finamente

pulida; comprobarla cuidadosamente con una regla de acero de precisin; cada rasguo u ondula-

cin permitir que el valor se escape.

- Hacer la perforacin de 1,5 mm para la lubricacin en la parte superior del tubo soporte del eje

del volante.

- Insertar el tubo soporte del eje en su posicin.

- Soldarlo al soporte con soldadura blanda.

II - Volante

- Marcar (con punzn) a 12 mm del centro y perforar ( 3,9 mm) el alojamiento del eje excntrico.

- Introducir los ejes ( 4 x 36 mm y 4 x 10 mm) perpendiculares al volante y con la ayuda de un

tornillo de banco en las perforaciones de ste.

- Introducir el eje en el tubo soporte.

- Agrandar (taladrando) la perforacin de la polea a un de 4 mm.

- Montar el volante colocando las arandelas y la polea de fijacin.

III - Cilindro

(Ver pginas siguientes)

IV - Pistn y biela

- Hacer rosca M4 de 5 mm de longitud en los dos extremos de la biela para unirlos al pistn y al pa-

lier del volante.

- Hacer una perforacin ( 1,5 mm) para lubricacin en la parte superior del palier (casquillo de co-

nexin al eje excntrico) de la biela.

El proceso de montaje de todos los mecanismos debe realizarse cuando se han construido todas laspiezas.

El cilindro debe mantenerse ajustado contra la superficie pulida del soporte del muelle, cuya fuerza se

puede ajustar con la tuerca de apriete.

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Convertidor de vapor (sin cotas)

E 1 : 1

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Convertidor de vapor

L i s ta d e p i e z a s e i n d i c a c i o n e s d e t r a b a j o

N. Descripcin Medidas Instrucciones de trabajo

1 Eje del cilindro (acero) M 3 x 20 Atornillar y soldar al cilindro

2 Tuerca de regulacin M 3 Atornillar al eje del cilindro

3 Arandela interior 3 Colocar entre tuerca y muelle

4 Muelle de presin Pieza acabada Introducir en el eje del cilindro

5 Tornillo de fijacin 3 x 20 cab.cnica Perforacin 3,5 avellanada en el soporte

6 Escuadra soporte 100 x 20/20 x 2 Pulir parte delantera, perforaciones de 3 mmpara eje del cilindro, 6 mm para tubo soporte

eje del volante y 3,5 mm para tornillos de fija-cin

7 Eje del volante (acero) 4 x 36 Introducir a presin en el volante y despus deajustado, soldar.

8 Polea de transmisin Pieza acabada Perforacin de 4 mm Fijar al eje con elsin cabeza tornillo

9 Tubo palier del volante 6 x 20 Soldar a la escuadra soporte. Perforacin de

(interior 4 mm) 1,5, mm en la parte superior para lubricacin

10 Arandela Interior 4 Colocar entre polea y tubo y volante y escuadra11 Volante Pieza acabada Perforacin excntrica de 3,9 mm

a 12 mm del centro.

12 Palier de la biela Pieza acabada Casquillo mecanizado. Perforar 1,5 en la parte superior para lubricacin

13 Eje excntrico del volante 4 x 10 Introducir a presin en el volante

14 Biela 4 x 68 Hacer una rosca M4 de 5 mm de largoen cadaextremo

15 Cilindro Pieza acabada Alisar la superficie de rozamiento.Perforar y hacer rosca M3. Dar la forma indica-da en los planos.

16 Pistn Pieza acabada Atornillar a la biela (M4)

17 Soporte del mecanismo 100 x 20 x 25 Madera dura. Encolar en la base

18 Puertas de admisin y de 2 Efectuar las los perforaciones ( 2 mm) escape en la escuadra solo despues de efectuar las pruebas.

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Convertidor de vapor (con cotas)

E 1 : 1

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Instrucciones para su construccin:

- Pulir las superficies "1 que debern quedar totalmente planas y lisas

- Rebajar una parte de las superficie, la "4, para reducir los rozamientos

- Realizar las perforaciones. La "2 de admisin del vapor de 2 mm y la "3 de roscado del eje del cilin-

dro de 2,5 mm, esta ltima a poca profundidad (mx. 2 mm)

- Hacer rosca M3 en la perforacin "3 despus de perforar.

- Cortar y limar los cantos del cilindro en la forma sealada "5 para reducir su piso.

- Fijar el eje (varilla roscada) "6 roscndolo y fijndolo con pegamento para metales o soldadura blanda

NOTA! El eje "6 no debe introducirse en la luz del cilindro

- Si es necesario, limpiar el interior del cilindro con un mandril de 8 mm

Cilindro

E 1 : 1

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UBICACIN DE LAS PERFORACIONES DE ADMISIN Y ESCAPE DEL VAPORLa posicin, en la escuadra soporte, de las puertas de entrada y salida del vapor quedan sealadas porel movimiento del cilindro. Ver figura.El vapor debe empujar el pistn mientras el eje excntrico del volante est en la parte superior de sutrayectoria. De esta forma se obtiene la fuerza de rotacin ms fuerte. Inversamente, cuando el eje esten lo ms bajo de su trayectoria el vapor debe poder salir.

Para obtener la ubicacin exacta de las perforaciones en el soporte, se puede proceder de la siguienteforma:

Confeccionar una punta con un remache ciego de 2 mm Fijarla en la perforacin de 2 mm del cilindro,la punta debe sobresalir entre 1 y 2 mmMontar a continuacin el conjunto de mecanismos, volante, biela, cilindro y pistn y hacer numerosasvueltas del volante con la mano apretando ligeramente el cilindro contra el soporte..La trayectoria de la perforacin del cilindro ha sido trasladado directamente por la punta sobre el sopor-te.

Los dos extremos de esta trayectoria indican la posicin de los centros de las dos perforaciones busca-dos (que estn separados 4 5 mm).Marcarlos con punzn y perforarlos con broca de 2 mm

Despus de realizadas las perforaciones y volviendo a montar los mecanismos, se puede hacer una pru-eba con aire a presin (mximo 2 bar). Al reducir gradualmente la presin del aire, se dispondr de unaprimera indicacin del rendimiento de la mquina.

A continuacin puede hacerse la unin entre la caldera y los elementos mecnicos de la mquina. Paraello deben hacerse las perforaciones de 4 mm en la caldera y en las puertas de admisin y escape delsoporte (las de admisin y escape deben dejarse a media profundidad ya que slo deben facilitar la fija-cin, previa a la soldadura de los tubos al soporte), conformar correctamente los tubos de cobre (entraday escape) y soldarlos con soldadura blanda en las posiciones adecuadas.

NOTA: Antes de realizar la primera prueba, lubricar todas las partes mviles (pistn, ejes, etc.).No forzar el movimiento.

Cuando todas las partes mecnicas, caldera, quemador y dems partesde la mquina estn acabadas y ensambladas correctamente y despues de probada la mquina conpresin de aire, se puede hacer la prueba con presin de vapor.Este es el momento que esperaban todos los alumnos y en esta situacin tienen tendencia a olvidar las

reglas elementales de la tcnica. Anque el modelo parezca robusto, puede estropearse por el mismompetu del arranque si se hace de forma incorrecta y sin probar.El aspecto inicial ms importante es la SEGURIDAD . probar el modelo una vez ms utilizando presinde aire hasta 3 bar aproximadamente. Ahora se probar la vlvula de seguridad y el resto de partes m-viles, asegurndose de que estn bien engrasadas y que trabajan libremente.

Solo cuando todo esto se ha ejecutado correctamente puede ponerse en marcha el modelo. En estafase la cantidad y calidad del agua utilizada juegan un papel importante. Se aconseja utilizar solo aguadestilada y no llenar la caldera a ms de 2/3 de su capacidad. Demasiada poco agua producir un so-brecalentamiento y demasiada puede entrar en el cilindro y estropear el mecanismo.Si la caldera se ha construido de acuerdo con el plano (longitud 100 mm y 38 mm), su volumen serde 113 c.c. y la cantidad ptima de agua es de 60 75 c.c.

Esta cantidad requiere solo dos tabletas de combustible especial para adquirir la temperatura adecuada.

Plantilla para lasperforaciones E 1 : 1

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Ejemplo de clculo de calentamiento:

Para calentar 60 ml de agua de 20C a 120C (1,5 bar), es necesario:

0,06 x 100 x 4,2 = 25,20 kJ

Pqara pasar 60 ml de agua a vapor se necesita:

0,06 x 2257 = 135,42 kJ

Para el total de la operacin se necesitan 160,62 kJ

Para pasar el agua a vapor se necesita seis veces ms de energa que para calentarla.

El rendimiento calorfico de una caldera cilndrica simple es de aproximadamente un 60% por lo quecambiar 60 ml de agua a vapor se necesitarn: 267,7 kJ

Una tableta de combustible de 3,9 gr libera segn su fabricante 110 kJ luego con 2 se obtendrn 220kJ.Con este clculo se puede ver que con 60 ml de agua y dos tabletas de combustible el peligro de sobre-

calentamiento es inexistente.

Se usan estas tabletas en lugar de alcohol metlico porque pueden manejarse sin peligro. Debe tenerseen cuenta que las tabletas contienen formaldeilo y solo deben usarse en locales bien ventilados.Antes de encenderlas, los alumnos deben tomar todas las precauciones contra el fuego, incluso consi-derar que todas las partes de la mquina se calientan mucho y pueden causar quemaduras.l Por tantotambin debe tenerse cuidado en no quemarse con el vapor.

Reservar un tiempo suficiente para el uso de la mquina para que los alumnos puedan saborear el frutode su trabajo. Cuando la mquina funcione, los alumnos debern destinar un tiempo en describir comohan construido la mquina y con que controles de calidad han realizado su trabajo. Tambin debern in-vestigar la eficacia de su modelo respecto a especificaciones tericas y pensar y desarrollar aplicacionespara los principios implcitos en el funcionamiento de la mquina.

Despus de su uso deben limpiarse y lubricarse las partes mecnicas de la mquina (pistn, cilindro,ejes, etc.) y vaciar el agua de la caldera.

Para conservar el acabado del modelo puede utilizarse un spray especial de barniz para metales queevita cualquier corrosin externa y guardarlo en una vitrina.

C O N S E J O S P R C T I C O S P A R A L A C O N S T R U C C I NQuemador y cajn gua:

- Colocarlos uno dentro del otro y serrarlos juntos- Realizar todas las perforaciones antes de hacer los pliegues!

Soporte de la caldera:

- Fijar ambas mitades con cinta adhesiva y el conjunto fijarlo en un soporte de madera de las mismas

medidas para serrar y perforar sin ningn problema.

- Usando un objeto tubular de 25 mm, curvar las tiras soporte de la caldera dndoles forma y fijarlos al

soporte de la caldera con los remaches ciegos de 3 mm.

Cilindro:

- La perforacin M3 debe hacerse con un taladro vertical y el roscado puede hacerse igualmente mante-

niendo el macho fijo en el taladro (sin poner en marcha) y girando la pieza con la mano que debe estarapoyada sobre una superficie plana.

- Adaptar el cilindro al pistn si es necesario ayudndose con una pasta abrasiva (usar pasta de dientes

para conseguir un pulido fino).

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Volante:

- Equilibrar (quitar peso) con perforaciones pequeas ( 4 mm) en la zona donde est fijado el eje ex-

cntrico.

- Para fijar el volante sobre su eje, apretarlo usando un tornillo de banco (estando el eje en el interior de

un tubo de 4 mm para evitar que se doble) o haciendo presa con la boca de un taladro desconectqa-

do.

Biela:

- No atornillar inicialmente la biela a fondo en el pistn, porque siempre hay que efectuar algn pequeoajuste y ste se puede hacer atornillando ms o menos la biela.

Superficies de rozamiento del cilindro:

- Utilizar un papel de lija fino de pulido al agua de grano 500, impregnado de aceite y que se montado en

un soporte cristal (como superficie lo ms plana posible.)

Tubo de vapor:

- Tratar de hacerlo lo ms corto posible para evitar la condensacin del vapor de agua.

- Se puede aislar el tubo para evitar la condensacin enrrollando un cordoncito a su alrrededor.

C O N S E J O S D E S E G U R I D A D

Nota especial para los alumnos,

No construir ni poner en marcha la mquina sin el asesoramiento y control del profesor.

Nota especial para los profesores:

Vds.han decidido realizar un trabajo con metal extremadamente interesante, que permite a cada alumno

construir una mquina de vapor siempre que se sigan las instrucciones indicadas.

En la medida que el profesor es responsable de la seguridad de sus alumnos, rogamos encarecidamen-

te que en todo el proceso de construccin y de puesta en marcha de la mquina se observen escrupulo-

samente los puntos siguientes:

1.- Prueba de la caldera, con tres veces la presin de trabajo

2.- Asegurar que la vlvula de seguridad trabaja con una presin de 1,5 bar y que est firmemente mon-

tada en la caldera, sin riesgo de desprendimiento por calentamiento.

3.- Etiquetar el modelo acabado con los siguientes datos: Fecha de fabricacin, presin de prueba: 4,5

bar, presin mxima de trabajo : 1,5 bar, Capaciad de agua 0,06 litros.

4.- Despues de superar con xito las pruebas de presin de la caldera, deber indicarse tal circunstancia

en la misma, marcndola con una etiqueta que lo indique.

5.- Probar siempre la vlvula de seguridad, asegurndose de que no est bloqueada antes de poner la

mquina en marcha.6.- Utilizar solo agua destilada en la caldera

7.- Comprobar el nivel de agua en la caldera antes de ponerla en marcha

8.- Usar solo dos tabletas de combustible para calentar la caldera

9.- Utilizar gafas y guantes de proteccin.

El profesor debe asegurarse que los alumnos sigan estas pautas como parte de su aprendizaje.

Finalmente debe advertir a sus alumnos, una vez ms, del peligro de quemaduras con las partes metli-

cas y de la posibilidad de escaldarse con agua hirviendo o con vapor de agua.

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Piezas de recambio- Mquina de vapor

N . Cantidad Descripcin Medidas en mm N

1 1 Perfil de aluminio en "U 16,5 x 100 809.2032 1 Perfil de aluminio en "U 19,5 x 100 809.2143 2 Tornillos 2,9 x 13 264.0224 4 Arandelas galvanizadas 3,2 268.0225 1 Tuerca exagonal M4 267.038

6 1 Tornillo cilndrico M4 x 25 265.290

7 2 Lmina de latn 63 0,4 x 165 x 75 811.0728 4 Remaches 3 x 4 346.1599 5 Tornillos para chapa 2,2 x 6,5 264.20610 1 Cilindro de latn 63 40 x 1 x 100 819.12911 2 Tapas de latn 58 40 x 3 819.13012 1 Tuerca exagonal latn 63 M6 267.201

13 1 Tornillo exagonal latn M6 x 10 269.11914 1 Tornillo roscado parcial. M3 x 30 269.10815 1 Tuerca de latn M3 267.21216 1 Muelle de presin Niro. 0,4 x 4 x 17,5 x 8,5 244.15417 1 Junta trica de caucho 3 x 1 537.41418 1 Arandela de aglomerado 10 x 5,8 x 1 842.354

19 1 Escuadra de latn 100 x 20 x 20 x 2 817.13020 4 Tornillos cabeza cnica 3 x 20 266.26221 1 Cilindro mecanizado de latn 40 x 15 x 15 819.14122 1 Pistn de latn 8 x 12 819.15223 1 Muelle de presin Niro. 0,4 x 4x 17,5x 8,5 244.15424 1 Tuerca de latn M3 267.21225 1 Varilla roscada de acero M3 x 20 269.18626 1 Arandela de latn 3,2 268.07727 1 Varilla de latn 4 x 68 816.766

28 1 Disco de latn 50 x 4 819.16329 1 Varilla cilndrica de acero 4 x 10 269.15330 1 Casquillo de fijacin de latn 819.17431 1 Tubo de latn 6 x 1 x 20 818.07632 1 Varilla de acero 4 x 36 269.16433 2 Arandela de latn 4,3 268.06634 1 Polea de latn con anclaje 819.026

35 1 Tubo de cobre 4 x 1 x 160 822.763

36 1 Listn de madera 140 x 140 x 10 715.18637 1 Listn de madera 100 x 20 x 25 688.103

38 1 Varilla de madera 8 x 50 682.033