La Mquina de vapor, es dispositivo mecnico que convierte la energa del vapor de agua en energa mecnica y que tiene varias aplicaciones en propulsin y generacin de electricidad. El principio bsico de la mquina de vapor es la transformacin de la energa calorfica del vapor de agua en energa mecnica, haciendo que el vapor se expanda y se enfre en un cilindro equipado con un pistn mvil. El vapor utilizado en la generacin de energa para calefaccin suele producirse dentro de una caldera. La caldera ms simple es un depsito cerrado que contiene agua y que se calienta con una llama hasta que el agua se convierte en vapor saturado. Los sistemas domsticos de calefaccin cuentan con una caldera de este tipo, pero las plantas de generacin de energa utilizan sistemas de diseo ms complejo que cuentan con varios dispositivos auxiliares. La eficiencia de los motores de vapor es baja por lo general, lo que hace que en la mayora de las aplicaciones de generacin de energa se utilicen turbinas de vapor en lugar de mquinas de vapor.

La turbina consta de unas toberas por las que se introduce el vapor, y sale expulsado a gran velocidad, este fenmeno hace que la turbina produzca un movimiento rotor, y esto hace que se mueva el eje de la hlice, bien acoplando directamente el eje a la turbina, o si tenemos ms de una turbina, mediante reducciones llegaramos a mover el eje de la hlice.

Tipos de ciclos de vapor Ciclo abierto: el tpico ciclo sin condensacin, propio de la mquina de vapor. Este fue el primer ciclo de vapor a utilizarse en forma amplia. Corresponde a las tpicas mquinas de vapor de ciclo abierto (locomotoras, locomviles y muchas mquinas estacionarias en los inicios de la revolucin industrial). Pasemos a analizarlo en diagramas y en bloques. El ciclo opera mediante un depsito que contiene agua para la caldera. La bomba toma el agua del depsito y la inyecta a la caldera (aumentando supresin desde la presin atmosfrica hasta la presin de la caldera).En la caldera (donde se le entrega el calor Q), el agua en un punto de ebullicin, forma vapor. El vapor se extrae de la caldera en la parte superior. Por gravedad, solo tiende a salir vapor saturado, por lo tanto sale de la caldera con ttulo muy cercano a x=1. Luego el vapor (a presin) es conducido al motor donde se expande, produciendo el trabajo W. El motor descarga el vapor utilizado al ambiente que est a 1 atm. Por lo tanto el vapor condensa a 100C.

Ciclo de Rankine: primer ciclo cerrado, incluye condensador, pero no incluye sobrecalentamiento de vapor. El ciclo de Rankine es conceptualmente muy parecido al anterior. La gran diferencia es que se introduce el condensador. Este tiene por efecto bajar la temperatura de fuente fra y mejorar la eficiencia del ciclo. El efecto es doble: Desde el punto de vista netamente termodinmico, bajamos la temperatura de la fuente fra, mejorando por lo tanto la eficiencia del ciclo. Desde el punto de vista mecnico, la presin en el condensador es muy inferior a la atmosfrica, lo que hace que la mquina opere con un salto de presin es mayor, lo que aumenta la cantidad de trabajo recuperable por unidad de masa de vapor.

Ciclo de Hirn: (o Rankine con sobrecalentamiento). Se introduce la sobre calefaccin de vapor. La bomba recolecta condensado a baja presin y temperatura. Tpicamente una presin menor a la atmosfrica, estado y comprime el agua hasta la presin de la caldera. Este condensado a menor temperatura de la temperatura de saturacin en la caldera es inyectada a la caldera. En la caldera primero se calienta, alcanzando la saturacin y luego se inicia la ebullicin del lquido. En se extrae el vapor de la caldera y luego se conduce el vapor al sobre calentador. Este elemento es un intercambiador de calor (similar a un serpentn) al que se le entrega calor a alta temperatura. Por lo tanto el vapor se calienta (aumentando su temperatura) hasta salir como vapor sobrecalentado en el estado. El vapor que sale del sobre calentador se lleva a la turbina. All se expande, recuperando trabajo, en la turbina, hasta la presin asociada a la temperatura de condensacin. El vapor que descarga la mquina entra al condensador donde se convierte en agua al entrar en contacto con las paredes de tubos que estn refrigerados en su interior (tpicamente por agua). El condensado se recolecta al fondo del condensador, donde se extrae prcticamente como lquido saturado. All la bomba comprime el condensado y se repite el ciclo.

Mquina de vapor La entrada a la mquina de vapor es la presin P que empuja al pistn. La salida de la mquina de vapor es la velocidad angular w del eje

CalderaVolumenVlvula (v)Presin (p)PistnMi (p, w)w)Eje de giroMc (w)CargaTrabajo (w)

A continuacin se muestra un anlisis cuantitativo de la mquina de vapor. Este concepto muestra como se acelera la mquina de vapor, que determina la velocidad del estado estacionario, y como la velocidad de salida cambia al producirse cambios en el momento de impulsin (presin de entrada) o en el momento de carga. La ecuacin que describe la velocidad angular w se encuentra dada por

Cuando el dispositivo comienza su movimiento (w = 0), el momento de impulsin tiene un valor determinado exclusivamente por la presin del vapor Mi (w = 0) = Mi (p, 0), mientras que el momento de carga tiene un valor que llamaremos Mc (0). La aceleracin angular al comienzo ser por tanto constante, por lo que el cambio en la velocidad angular ser lineal en el tiempo. Silos momentos de impulsin y carga fuesen independientes de la velocidad angular, entonces, este aumento de velocidad angular no se detendra nunca, y la mquina de vapor no alcanzara ningn estado estacionario. Sin embargo, el momento de impulsin en general disminuye cuando aumenta la velocidad angular, y el momento de carga, por el contrario, aumenta con la velocidad angular, por lo que se alcanza un momento en que ambas cantidades se igualan, y a partir de este momento, ocurre que

Finalmente obtenemos la ecuacin diferencial, escrita de forma simplificada Integrando, obtenemos: