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U.T. - F.R.GDepartamento: Ingeniería Eléctrica Unidad: 1 Calderas de vapor Página 1 de 193 Recopilación: Ing. Mec. F. LumieraCátedra: Máquinas Térmicas, Hidráulicas y de fluidosI. EL DESARROLLO DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA Introducción. En cualquier actividad de nuestra vida diaria, directa o indirectame...

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Departamento: Ingeniería Eléctrica Cátedra: Máquinas Térmicas, Hidráulicas y de fluidos U.T.N. - F.R.G.P

Fecha: Mayo/2006 Unidad: 1 Calderas de vapor Página 1 de 193 Recopilación: Ing. Mec. F. Lumiera

I. EL DESARROLLO DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA 1.

Introducción. En cualquier actividad de nuestra vida diaria, directa o indirectamente estamos ligados a diversas formas de energía. Cuando nos levantamos decimos que “estamos llenos de energía”, queremos decir que estamos listos y dispuestos a emprender un trabajo. No obstante cuando nuestra actividad ha durado largo rato, decimos que “hemos perdido muchas energías”, un buen descanso nocturno y un aliento reparador restablecerán nuestra capacidad de realizar trabajo. Por medio de este elemental ejemplo es posible tener una idea de trabajo y energía. Como primera conclusión tenemos que el trabajo se realiza por la transmisión de energía de una clase a otra distinta o de un lugar a otro distinto. Como segunda conclusión se tiene que es esencial el desarrollo del trabajo, es decir que sin energía no hay trabajo. Es importante recordar que la energía no se crea sino que únicamente se transforma. Por ejemplo, la energía del carbón se puede transformar en energía eléctrica, mediante ciertos procesos. Los combustibles almacenan energía, dispuesta para su uso. Actualmente sabemos perfectamente que la energía acompaña a la materia en sus cambios, pero no solamente la acompaña sino que, en algunos casos, la materia se transforma en energía en los fenómenos radioactivos y en la transmutación. Por medio de experiencias se ha llegado a saber que la energía posee una masa y que la masa se transforma en energía. En 1905 Albert Einstein se dedicó a estudiar este principio y lo compendió en la fórmula que es la base de nuestro estudio moderno: 2

E  M .c

Según esta fórmula la energía es igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz. Un único gramo de materia contiene una exorbitante cantidad de energía. Las formas en que se manifiesta la energía en la materia pueden clasificarse en: 1. 2. 3. 4.

Trabajo mecánico. Calor. Electricidad. Radiación.

Ejemplo: En la pila elemental, que se ha estudiado en los cursos primarios de electricidad se observa que la transformación del electrodo de zinc se manifiesta en electricidad. La energía a través de la historia del hombre.

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No obstante que las fuentes de energía han existido desde la creación, el hombre ha tenido que esperar miles de años para hacer de esas formas usuales de energía. En cada época de la historia diversos factores han intervenido para determinar la naturaleza de la tecnología (reflejo del aprovechamiento de las fuentes de energía):       

Los materiales disponibles. El acumulamiento de habilidad y experiencia de los artesanos. El nivel de los conocimientos científicos. Las condiciones económicas y sociales. La religión. Principios éticos. Las doctrinas filosóficas. Podemos decir que el nivel del avance tecnológico está determinado por el aprovechamiento de las máquinas y fuentes de energía en beneficio del hombre. La evolución del avance tecnológico del hombre, considerado éste excluido fisiológicamente como nosotros, puede clasificarse en cinco etapas, tal como se muestra en la figura 1.

Figura 1 Épocas de la energía y principales fuentes

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En la primera etapa observamos al hombre acarreando cargas sobre sus propios músculos, esta simple máquina es su única fuente de energía. Este intervalo transcurrió en la prehistoria y duró miles de años. En esta etapa es digno de mencionar la construcción de las pirámides de egipcias, en 2.900 a. J.C., en las que se transportaron, empleando únicamente energía muscular, bloques para su construcción de 2,50 toneladas. En la segunda etapa el hombre, en vista de ciertas necesidades, cambia la energía de sus músculos con la de los animales. Esta nueva máquina (hombre-animal) permite al hombre realizar ciertos trabajos y trasladarse largas distancias. Se principia la construcción de herramientas y se inventan las primeras máquinas mecánicas, aunque no se hace ningún uso práctico de ellas. En este lapso con el estudio de las matemáticas, se crean las bases para el adelante técnico actual. Los principales precursores en los adelantos técnicos fueron los helénicos, encabezados por Arquímedes (287-212 a. J.C.). El genio creador del florentino Leonardo Da Vinci resalta en la tercera etapa. En ésta aunque se sigue empleando el músculo animal se logra aprovechar la tracción animal. Se comienzan a aprovechar ciertas fuentes de energía. Se aprovecha la aplicación de la energía del agua, la del viento y se tienden las bases para la aplicación del vapor. Esta etapa incluye la totalidad de la edad media y los primeros años de la revolución industrial. La cuarta etapa principia alrededor del año 1.650 y promueve la mecanización del trabajo humano. Esta era se caracteriza por los grandes cambios y altos niveles alcanzados por las instituciones del mundo occidental, esto como consecuencia de la revolución industrial. La máquina de vapor es el símbolo de esta etapa, la cual también incluye el principio de la automatización. La utilización de la fuerza motriz para ayudar al hombre en sus más duros trabajos ha sido, históricamente, el principal aportador de progreso en la vida humana. En particular, refiriéndonos al uso del vapor, encontramos su primera aplicación destinada a la obtención de energía en la turbina de reacción de Herón de Alejandría. Hombres como Thomas Newcomen y James Watt contribuyeron en mucho en perfeccionar los mecanismos que permiten utilizar la energía térmica contenida en el vapor. Thomas Newcomen, un herrero de gran habilidad, inventó una máquina térmica consistente en un cilindro, abierto por arriba, por cuyo interior se deslizaba un émbolo. Éste iba unido por una cadena a uno de los extremos de un balancín fijo en su punto medio, y cuyo otro extremo llevaba un contrapeso capaz de levantar el émbolo. El vapor introducido bajo éste expulsaba el aire, y el consiguiente enfriamiento y condensación del vapor, producido por medio de un chorro de agua, al crear un vacío parcial, permitía a la presión atmosférica impulsar el émbolo hacia abajo. El esquema de esta máquina puede verse en la figura 2. Watt vio claramente la necesidad de evitar el alternativo calentamiento y enfriamiento del cilindro y su innovación consistió en producir la condensación del vapor en otro recipiente, la cámara de vacío, como la denominó, que redujo el consumo de vapor en un 75%.

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Una máquina de vapor con este perfeccionamiento pudo impulsar una bomba hidráulica y mover los fuelles de un horno de fundición, mas no podía mover las ruedas de una industria. Boulton, un financiero y fabricante de extraordinaria intuición comercial, animó a Watt para que desarrollase la máquina y formase una sociedad con él. En 1783 consiguió Watt la máquina de movimiento rotativo que presentó al mercado en 1785. El mejoramiento de esta máquina de vapor fue estimulado por el hecho de que todos los saltos de agua aprovechables habían sido ya explotados, y la industria inglesa se había incrementado hasta el punto que era indispensable hallar energía más barata y abundante. La invención de la máquina a vapor fue realmente oportuna, teniendo en cuenta los métodos disponibles de producción mecánica. Sin la ayuda de la taladradora de John Wilkinson, la máquina de Watt se hubiera hecho guardar muchos años. El mecanismo de corredera fue descubierto accidentalmente, más tarde, por un muchacho cuya misión era invertir la corredera al final de cada carrera del émbolo. Se limitó ingeniosamente a conectar el vástago de la corredera a un punto de la misma máquina dotado de movimiento alternativo. Nace el mecanismo biela-manivela. Durante 2.000 años el átomo no pasó de ser una filosofía. Generación tras generación de investigadores consideraron el átomo como un elemento inalterable, no escisionable, como la parte más pequeña a que podía reducirse la materia. Esta idea persistió hasta que se descubrió la transformación nuclear de los elementos radioactivos, es decir, de los productos sujetos a la desintegración radioactiva. Las ciencias naturales modernas hicieron este descubrimiento en las postrimerías del siglo XIX y comienzos del siglo XX. Encontraron que el átomo era una fuente de energía colosal. El siglo XX, siglo del átomo, se le considera el principio de la quinta era, la era atómica. Todavía no sabemos si el átomo es una bendición o una maldición para la humanidad. 2.

Plantas termoeléctricas convencionales. a) Definición. Una planta termoeléctrica convencional, es aquella que aprovechando la energía calórica contenida en el vapor, producido por una caldera, pone en movimiento una máquina de vapor, generalmente una turbina, para a su vez hacer girar un alternador y producir energía eléctrica. b) Sinopsis histórica. El aprovechamiento del vapor en una máquina para bombear agua fue utilizado por Eduard Somerset, marqués de Worcester, en la primera mitad del siglo XVII. Más tarde Thomas Savery, en 1698, construyó una máquina similar perfeccionada. Esta máquina servía exclusivamente para la elevación de agua y, por esta razón, se le dio el nombre de “Bomba de Fuego”. La importancia de la máquina de Savery, más que en los resultados prácticos, está en haber sido motivo de llamar la atención general hacia el émbolo mecánico de vapor, preparando de esta manera el advenimiento de la moderna máquina a vapor. Al francés Papin, se le debe una máquina con el mismo fin, a la que dotó de una válvula de seguridad y de un émbolo. Fue la primera máquina ideada para utilizar los efectos

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mecánicos del vapor. Papin, en el año 1707, publicó una obra que tituló “Nueva manera de elevar agua por la fuerza del fuego”, en la que se describe otra nueva máquina, imitación a la de Savery, y en ella abandona su idea capital de producir un vacío por medio del vapor para elevar agua. Esta máquina consistía simplemente en un cilindro en el que se introducía una cantidad de vapor para elevar una columna de agua. Uno de los más grandes inconvenientes de la máquina ideada por Papin y Savery era la lentitud con que se hacía el vacío en el cilindro por la falta de un medio rápido para condensar el vapor, inconveniente remediado por Thomas Newcomen por medio de una corriente de agua fría que bañaba la parte exterior del cilindro, lo que condensaba al vapor rápidamente, desapareciendo la resistencia que éste oponía al descenso del pistón; la presión atmosférica hacía bajar al pistón en forma veloz. La máquina de Newcomen está compuesta en su parte esencial de un cuerpo de bomba dispuesto verticalmente, ver la figura 2, cerrado en su parte inferior y abierto en la superior, de un pistón y de un cilindro que envuelve el cuerpo de la bomba, y cuyo objeto es contener el agua destinada a enfriar y condensar el vapor. Una caldera ubicada inmediatamente debajo del cuerpo de la bomba, que proporciona el vapor que va directamente a la parte inferior del cilindro, levantando al pistón que por medio de una cadena está fija a uno de los extremos del balancín colocado en la parte superior. En el otro extremo del balancín está sujeta otra cadena la que tiene un gran contrapeso, al que se enlaza el vástago o varilla que pone en movimiento la bomba destinada a extraer agua. Figura 2 Máquina de Newcomen 1. Toma de agua. 2. Cadena con contrapesa enlazada a la bomba. 3. Conducto para agua. 4. Enganche de la cadena. 5. Perno balancín. 6. Enganche de la cadena. 7. Balancín. 8. Cadena que enlaza al pistón. 9. Cilindro. 10. Grifo regulador. 11. Pistón. 12. Salida de agua. 13. Conducto salida de agua. 14. Inyección de agua. 15. Conducto para inyectar agua. 16. Conducto de vapor. 17. Caldera.

Uno de los perfeccionamientos más notables de Newcomen hacia su máquina fue la supresión del cilindro envolvente que contenía el agua de condensación porque éste traía

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como consecuencia que, al enfriar permanentemente la superficie del cilindro a la entrada del vapor, parte de éste se condensaba desperdiciando así su energía. Por este motivo, ideó poner alrededor del cilindro un tubo en forma de regadera y pudo comprobar que entonces el pistón daba diez golpes por minuto. Hecha esta modificación, esta máquina tuvo gran empleo para bombear el agua de las minas de carbón inglesas. Se cuenta que un muchacho llamado Humphrey Potter, a quien estaba confiada la misión de abrir y cerrar la válvula de admisión, deseoso de poder abandonar su puesto para irse a jugar, introdujo en la máquina de Newcomen una modificación importante; ató una de las cuerdas a las manijas, barras y travesaños de la máquina, e hizo que esta abriera y cerrara sus válvulas, en el momento adecuado. Así, este niño inventó la válvula corredera, que constituye hoy una pieza importante de todas las máquinas a vapor. Si se exceptúa la adición del volante y la transformación del movimiento vertical de vaivén en movimiento de rotación, ideas ambas debidas al mecánico inglés Fitz-Gerald, ningún perfeccionamiento notable se introduce en la máquina a vapor en un período de medio siglo aproximadamente hasta que los trabajos del eminente sabio Black, sobre la teoría general del vapor, y sus descubrimientos relativos al calor latente y al calor específico, abriendo nuevos horizontes a la ciencia, preparan los asombrosos triunfos y admirables descubrimientos de James Watt. c)

La máquina de vapor de James Watt. La máquina a vapor de James Watt constituye el paso definitivo para la aplicación del vapor en la industria. James Watt, nació en la pequeña población pesquera de Greenods, es Escocia, en el año 1736. No pudo asistir regularmente a la escuela por su mala salud y siguió sus propias inclinaciones e iniciativas en sus estudios. Se cuenta sobre el niño Watt que un día escuchaba el gorgoteo de la marmita mientras salía el vapor por el pitorro y se preguntó qué sucedería si alguien tapaba el agujero. Lo intentó para ver qué pasaba y comprobó que el vapor hacía saltar la tapa de la marmita inmediatamente. Según esa historia, fue así como James Watt comprendió el enorme poder del vapor, lo que le hizo concebir la idea de su máquina. En alguna época de su vida, trabajó en la reparación de instrumentos mecánicos de la Universidad de Glasgow y durante algún tiempo se dedicó a hacer instrumentos matemáticos y a trabajar en los trabajos de ingeniería que le planteaban. Por fin, llegó el día en que empezó a trabajar en la obra que le permitiría transformar el mundo. En el museo de la Universidad había una máquina de Newcomen y encargaron a Watt que le hiciera algunas reparaciones. Lo hizo sin dificultad pero, cuanto más la estudiaba, tanto menos le gustaba su manera primitiva de funcionar. Derrochaba mucho calor y tenía muy poca fuerza. Además, era demasiado lenta.

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Uno de los inconvenientes gravísimo de la máquina de Newcomen era el que ofrecía el agua de condensación. Para dar remedio ha éste y otros defectos emprendió Watt una serie de trabajos que dieron origen al más grande los inventos: el condensador aislado, es decir, un vaso o recipiente separado del cilindro de vapor, con el que se comunicaba por intermedio de un tubo. Para comprender la importancia de esta modificación, bastará decir que el gasto de combustible se redujo a la tercera parte. Y, como complemento para extraer el agua empleada en la condensación y el aire procedente del vapor y contenido en el agua calentada, ideó Watt la bomba de aire, movida por el balancín de la máquina. Pero con todas estas importantes modificaciones, la máquina siguió siendo una máquina atmosférica, hasta que Watt transformó completamente el principio de la misma, sustituyendo la intervención atmosférica por la acción del vapor, y creando por consiguiente la verdadera máquina a vapor, a la que dio el nombre de “máquina de efecto simple”, porque el vapor no actuaba más sobre la cara del pistón. Por medio de una serie de descubrimientos Watt aspiraba a hacer a su máquina susceptible de aplicación a toda clase de industrias, obteniendo así la máquina de doble efecto o sea la que el vapor obra sucesiva y alternativamente sobre las dos caras del pistón, con lo que se consigue un movimiento regular y un efecto continuo. Esta máquina de doble efecto trajo consigo una porción de investigaciones tales como el paralelogramo articulado o paralelogramo de Watt, con el que se hace coincidir el movimiento rectilíneo del vástago del pistón con el circular del extremo del balancín. El empleo de la manivela, el regulador de fuerza centrífuga, con cuyo auxilio se obtiene la regularidad y la igualdad de acción imprescindibles para la buena marcha. El conjunto de todas estas invenciones se encuentra realizado en la llamada Máquina de Watt, que constituye el tipo originario de esta clase de máquinas. James Watt observó que cuando el vapor entraba al cilindro se suscitaba una expansión de éste en el cilindro. Viendo esto Watt alimentaba con la mitad de vapor al cilindro así subía el cilindro hasta obtener su máxima carrera trayendo como consecuencia un ahorro de vapor y en combustibles. La máquina de Watt se compone de dos partes: una en la que se produce el vapor que ha de actuar como fuerza motriz, llamada generador o caldera, y otra, que constituye propiamente la máquina, formada por el sistema de mecanismos encargados de recibir y transmitir la acción de la fuerza motriz del vapor. Este mecanismo se compone de un émbolo o pistón que adquiere por la acción del vapor un movimiento de vaivén en el interior de un cilindro donde encaja y oscila, constituyendo el receptor, cuyo movimiento se transmite a otro émbolo por medio de un balancín haciendo la transformación de movimientos por medio del paralelogramo de Watt o la combinación biela-manivela. La caldera comunica con el cilindro por medio de un tubo provisto de una llave para regular la salida del vapor, y éste entra al cilindro por la llamada Caja de Distribución. Como complemento de todos estos órganos existe un depósito de agua, a donde fluye el vapor después de actuar sobre el pistón para su condensación, constituyendo el condensador, el registrador y volante. Las bombas de agua, de aire y alimentación, destinadas la primera a renovar el agua del condensador y la segunda a sacar el agua ya caliente por la condensación del vapor y el aire que en el mismo se acumula, y la tercera a suministrar a

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la caldera el líquido necesario para la producción de vapor, tomándola de la extraída del condensador. Las tres bombas son movidas por la misma máquina a vapor. En la figura 3 se ilustra la máquina ideada y puesta en marcha por Watt.

Figu...