Seminario de Diseño
Informe n°1
Motor a vapor de doble efecto
   
      “Motor-itto”

Fecha: 02/05/00
                                                Integrantes:

                                                        Nilo Araya
                                                        Juan Pablo Traverso
                                                        Claudio Uriarte

Introducción.
Este informe solo pretende ser una aproximación al diseño final del motor. En este veremos los aspectos básicos del diseño, tamaño y materiales.  Incluiremos una pequeña referencia histórica, descripción del funcionamiento del motor y primeros esquemas de este.

Referencia histórica.
Un francés llamado Denis Papin se presentó en una reunión de la Sociedad Real. Papin demostró un nuevo aparato asombroso que tenía que ver con la fuerza misteriosa de la presión atmosférica. Papin era uno de varios científicos que trataban de diseñar un mecanismo que impulsara una bomba a través de la manipulación del peso de la atmósfera. La idea resultaba tentadora porque la necesidad de bombear agua, aunque un asunto banal en el mundo moderno, se había convertido en problema social crítico para finales del siglo diecisiete. El crecimiento de la población significaba la necesidad de pozos más profundos para el abastecimiento de agua de las ciudades europeas en expansión. Y después de varios siglos de minería, se habían acabado los fácilmente trabajados afloramientos de la superficie de estaño, cobre, hierro y carbón. Los mineros se veían forzados a seguir las venas de mineral debajo de la superficie de la tierra. Pero en la medida en que avanzaban a niveles más profundos, las inundaciones del agua que se escurría se hacían más severas.

Desde el siglo catorce se habían utilizado ruedas hidráulica como fuente de energía para las bombas de las minas, pero no todas las minas se encontraban convenientemente ubicadas cerca de los arroyos. En la mayoría de los casos, los mineros usaban bombas impulsadas por la fuerza de caballos y hombres. El pequeño aparato que Papin les mostró a los miembros de la Sociedad Real fue un cilindro hueco de latón de un diámetro de 6.35 centímetros que parecía una lata sin tapa. Un pistón, se deslizaba hacia arriba y hacia abajo dentro del cilindro. Usando una flama, Papin hirvió un poco de agua en el fondo del cilindro hasta expandir el vapor que impulsaba el pistón al borde superior del cilindro. Con una aldabilla de metal fijó el pistón en su lugar y luego enfrió el cilindro mediante un baño de agua fría. Este proceso condensó el vapor y creó un vacío parcial. Cuando Papin soltó la aldabilla, la presión atmosférica forzó el pistón hacia abajo y proporcionó suficiente poder para levantar al aire un peso de 27 kilos. El aparato de Papin demostró el concepto de manipular la presión atmosférica para generar energía, pero era demasiado pequeño para hacer cualquier trabajo serio. Y puesto que los metalúrgicos no sabían construir un pistón y cilindro de diámetro grande, el invento de Papin no prosperó.

Su método genial de capturar energía de la atmósfera había superado la tecnología de la metalurgia de su época. Pero la necesidad social del poder de la bomba no desaparecía y la idea de diseñar una bomba atmosférica no terminó con Denis Papin. Una década después Thomas Savery se presentó ante la Sociedad Real para demostrar su diseño el cual básicamente era una caldera grande conectada por tubos y válvulas al punto medio de otro tubo vertical de agua. El vapor de la caldera forzaba el agua por la sección superior del tubo, y después de abrir y cerrar varias válvulas la condensación del vapor chupaba el agua por la sección inferior del tubo antes de que se repitiera el ciclo. El motor de Savery resultó un poco más útil que el juguete de laboratorio de Papin; sin embargo, no podía bombear agua más de seis metros verticales. Los intentos de aumentar el poder por medio del aumento de la presión de vapor condujeron a una serie de explosiones desagradables. A final de cuentas, la respuesta práctica al problema de las inundaciones de las minas no procedió de la elite de científicos de la Sociedad Real. La solución fue aportada por Thomas Newcomen.

Por algún motivo Newcomen creía que él podía resolver el problema del drenaje. A partir de 1698 él y su asistente trabajaron por 14 años para hacer una bomba atmosférica que funcionara. No está claro si Newcomen tenía conocimiento de los experimentos de Papin en la Sociedad Real, pero su diseño final combinó el cilindro y pistón de Papin con la caldera hirviente de Savery.

Newcomen había pasado ya diez años en el proyecto y estaba a punto de darse por vencido cuando ese milagro común de los inventos humanos, el accidente fortuito, le favoreció. Su motor experimental a pequeña escala consistía en una caldera y un cilindro vertical de latón. Este era de un ancho de menos de 30 centímetros el cual daba cabida a un pistón aún menor en diámetro. Al sellar la brecha entre el pistón y la pared del cilindro con una tira de cuero envuelta alrededor del borde del pistón, Newcomen evitó el problema de fricción que había obstaculizado a Papin en sus intentos de agrandar su diseño. El cilindro entero estaba encerrado en un recipiente de plomo. Después de pasar el vapor por tubos de la caldera al fondo del cilindro para impulsar el pistón hacia arriba, se introducía agua al recipiente de plomo para impulsar el pistón de nuevo hacia abajo. El diseño era lógico, pero el cilindro de latón se enfriaba tan paulatinamente que el pistón nunca desarrollaba el empuje hacia abajo. Sólo se hundía lentamente en el cilindro.

Después de innumerables intentos frustrantes para hacer funcionar el modelo, una gota de agua fría se fugó por casualidad por un imperfecto en la pared del cilindro. Cuando el agua entró al cilindro lleno de vapor, el vapor se condensó inmediatamente. Esto causó que el pistón bajara precipitadamente con una fuerza tremenda, rompiendo la cadena del pistón y destruyendo la base del cilindro y la caldera. Años más tarde uno de los amigos de Newcomen informó que la espuma de agua caliente y la maquinaria destruida convenció "a los presentes que habían descubierto una fuerza incomparablemente poderosa que había sido totalmente desconocida antes en la naturaleza".

El accidente del taller reveló la pieza faltante del rompecabezas, pero Newcomen se demoró cuatro años más en diligente experimentación antes de que pudiera instalar una bomba de tamaño completo que inyectara agua fría directamente al cilindro lleno de vapor. El primer motor de Newcomen fue construido en una mina de carbón cerca del Castillo Dudley en Staffordshire, Inglaterra en 1712. El motor tenía un cilindro de más o menos medio metro de ancho y dos y medio metros de altura. Capaz de generar aproximadamente cinco caballos, bombeaba alrededor de 450 litros de agua por minuto de un tiro de mina de 45 metros de profundidad. Y lo más ingenioso de todo fue que la máquina de Newcomen incluía un palo de control de madera que abría y cerraba las válvulas del motor en la secuencia correcta. Con tal de que la caldera se alimentara, el motor atmosférico seguiría trabajando. No solamente Newcomen había inventado el primer motor de energía de hidrocarburos en el mundo sino también había inventado uno que funcionaba en forma virtualmente automática.

Pero aun el motor Newcomen refinado tenía grandes limitaciones. A pesar de sus ventajas comparado con las alternativas del viento, agua y poder muscular, era extremadamente ineficiente en cuanto al gasto de energía. Bajo las mejores condiciones convertía menos del 1 por ciento la energía del carbón que consumía en poder de bombeo útil. Esto no fue un gran problema para dueños de las minas de carbón porque encendían sus calderas con pequeños y económicamente inútiles pedazos de carbón que de otra manera hubieran sido desperdiciados. Pero lejos de las minas de carbón, el apetito del motor por el carbón hacía que el bombeo por máquina no resultara económicamente viable. Desafortunadamente, no se podía resolver el problema haciendo más refinamientos al diseño de Newcomen. El motor era inherentemente ineficiente porque el agua fría que condensaba el vapor del cilindro también enfriaba el mismo. En cada ciclo se desperdiciaba mucha energía al recalentar el cilindro de latón.

James Watt era un joven técnico en instrumentos científicos en la Universidad de Glasgow cuando un profesor le pidió que reparara un modelo a escala de un motor de Newcomen. Mientras jugaba con él Watt se dio cuenta que el enfriamiento y el recalentamiento del cilindro desperdiciaba una cantidad enorme de energía. Sin embargo después de varios meses de intentarlo no pudo concebir una solución mejor. Entonces, según Watt, mientras paseaba un domingo de mayo de 1765 en el centro de Glasgow, dio con la respuesta. En los días siguientes Watt construyó un modelo de un motor con una cámara adicional, un condensador. Según este diseño después de que el vapor impulsara el pistón hacia arriba, sería extraído del cilindro al condensador donde se enfriaría.

 Esta son algunas mejoras que hizo Watts al motor Newcomen.

-Condensador aparte: en la máquina de Newcomen (y otras máquinas atmosféricas) la condensación del vapor ocurría en el interior del cilindro de trabajo. Esto hace que la máquina sea relativamente lenta. Al tener condensador aparte, la función de condensación se separa de la función trabajo y la misma máquina puede marchar más rápido, lo cual implica mayor potencia.

-Mecanismo Biela-Manivela: Este mecanismo permite convertir el movimiento alternativo del cilindro-pistón en movimiento circular. Esto posibilita el uso de ejes para transmitir energía a varias máquinas a la vez. Así en una fábrica la máquina a vapor está en el exterior y un gran eje (o árbol) corre por lo alto de un muro. El árbol tiene varias poleas que conectan a diversas máquinas con correas planas y un mecanismo de embragues. Por lo tanto los operarios de las máquinas las conectan y desconectan a voluntad.

-Regulador de velocidad: el regulador de velocidad admite más o menos vapor al cilindro de acuerdo a la carga que demanda la máquina. Esto permite una velocidad controlada con variaciones de carga, lo cual es ideal para una fábrica en que la cantidad de máquinas      conectadas a la máquina de vapor puede ser muy variable.

-Cilindros de doble efecto: Otro de los aspectos claves introducidos por Watt fue el uso de los cilindros de doble efecto. En este caso se trata de cilindros a los que se admite vapor por ambas caras del pistón. Para un mismo tamaño de cilindro, esta solución permite prácticamente duplicar la potencia del motor.

Todas estas mejoras eran conocidas en el tiempo de Watt. El gran aporte de él fue combinarlas y desarrollar una máquina de vapor realmente práctica.

Para obtener el mismo rendimiento, el motor de Boulton y Watt usaba un 75 por ciento menos de carbón. Con esta enorme ventaja en el costo, Boulton y Watt empezaron a vender sus motores a las minas de cobre y estaño de Cornwall, donde el costo del carbón había parado más de la mitad de los motores de Newcomen ya existentes. La mejor eficiencia energética del motor de Watt condenó al motor de Newcomen en Cornwall, y en un lapso de ocho años solamente uno de los viejos motores de esa región seguía funcionando. Con el invento de Watt del motor de vapor rotativo, la maquinaria de fábrica ya no dependía solamente del poder rotativo de la rueda hidráulica, y las fábricas ya no tenían que estar ubicadas junto a un arroyo de corriente rápida. No obstante, la fuerza del agua aún era más barata que el poder del vapor generado por los motores de Boulton y Watt. Pasarían varias décadas de refinamiento antes de que el poder de vapor alcanzara una ventaja de costo clara. Entre 1790 y 1800 se construyeron más motores de vapor que en los 90 años anteriores. Para el año 1800, cuando se venció la patente de Boulton y Watt, el poder de máquina alcanzó su punto crítico y provocó la reacción en cadena de la Revolución Industrial.
 
Motor.

El motor que nos propusimos construir, es conocido como “ motor a vapor de doble efecto” pues como su nombre lo indica, se admite vapor por ambos extremos del cilindro. Resultando en un mejor aprovechamiento del vapor existente, lo que conlleva a casi duplicar la eficiencia del motor.

 
La figura anterior es un prediseño de nuestro motor.

Funcionamiento:
El vapor ingresa por la flecha superior roja, desde la caldera al cilindro de distribución, donde por medio del pistón doble y la biela se dirige a una de las dos entradas  al cilindro principal, quedando la otra abierta a la atmósfera.
El pistón se mueve por efecto de la presión del vapor. El otro lado del cilindro de encuentra conectado al exterior por medio de la otra flecha doble, lo que permite el escape de vapor/aire.
El pistón tiene un recorrido de 45mm, (según especificación del prof.) pero una vez recorrido una parte hacen contacto las uñetas y el pistón de distribución es arrastrado, haciendo que se repita el ciclo, pero en el otro lado del pistón.

Todo lo anterior hace que se produzca un movimiento horizontal de la biela, el que es transformado en movimiento circular por medio de la manivela. Este mecanismo se conoce por el nombre de Biela-manivela. Tal como lo ilustra la siguiente figura:

Materiales:
Los materiales que vamos a utilizar son:
- Acero, para los pistones, bielas, volante y manivela.
- Bronce, para los cilindros y los guía de biela.
- Estopa para sellar el cilindro principal.
- Madera terciada para la base.
- Tornillos y pernos standard.

Nota: Posiblemente hagamos una de las guías de biela de acero.

 Esquemas “Motor-itto”

Motor completo, con interiores.

 
Vista externa del block y su fijación a la base.

 
Detalle del volante, con su soporte y la guía de biela.

Planificación de actividades

Conclusiones:
Dado que este es el primer informe y no hemos construido nada todavía, solo podemos decir que el diseño es bastante mas complicado de lo que un piensa. Llevar las ideas al papel, y trabajar con la geometría del diseño puede ser muy difícil.
Para cualquier otra información ver nuestra pagina web.

http://www.geocities.com/sd20a_2000