Les màquines de vapor poden classificar-se en aquests dos tipus:
- Màquina de vapor d'èmbol. Aquest tipus de màquines utilitzen un èmbol o pistó acoblat a un mecanisme del tipus pistó-biela cigonyal. Dins d'aquest tipus poden ser.
- Motor de vapor d'expansió múltiple
- Motor Uniflow o de flux uniforme
- Màquina de vapor de turbina
Una màquina de vapor és un motore de combustió externa capaç de transformar energia calorífica en energia mecànica en un eix en moviment de rotació. Aquesta energia calorífica aprofita mitjançant l'energia continguda en vapor d'aigua a alta pressió i temperatura.
Considerem màquines de vapor totes aquelles màquines que transformen l'energia tèrmica d'un fluid en energia mecànica. En general, el fluid ha de ser escalfat prèviament ia la sortida de la màquina de vapor ha de refredar per repetir el procés.
Aquest tipus de màquines són fruit de les millores que James Watt va realitzar a la màquina de Thomas Newcomen. Posteriorment, la màquina de vapor d'aigua, que resultaria fonamental en el desenvolupament de la primera Revolució Industrial.
Màquina de vapor d'èmbol
Les màquines de vapor d'èmbol són les primeres màquines de vapor es van desenvolupar utilitzant un èmbol o pistó acoblat a un mecanisme del tipus pistó-biela cigonyal. A aquest mecanisme se li aplicava el vapor a alta pressió i temperatura sincronitzat amb un joc de vàlvules per obtenir una energia cinètica i, per tant, un moviment mecànic.
Com funciona una màquina de vapor èmbol?
El vapor d'aigua es genera en un generador de vapor com podria ser una caldera. El vapor s'introdueix a una càmera on hi ha una vàlvula de control. Aquesta vàlvula de control és accionada de manera sincronitzada per un mecanisme acoblat a l'cigonyal de la màquina. El moviment de desplaçament de la vàlvula de control, fa que la càmera d'entrada, on hi ha el vapor de subministrament, es comuniqui de forma alternada, a la part superior o inferior de l'èmbol.
El vapor empeny a l'èmbol en les dues direccions per fer rotar el cigonyal. A el mateix temps, aquesta vàlvula de control estableix la comunicació de la banda oposada de l'èmbol, a conducte de sortida per deixar escapar el vapor fred ia baixa pressió inútils. La temperatura i la pressió de vapor de sortida no són prou alts com per seguir aprofitant la seva energia en aquest tipus de màquina.
Com es consiguie millor rendimeinto mitjançant les màquines de diverses etapes?
Aquest motor de vapor elemental és molt ineficient. El vapor abocament a l'exterior encara està calenta ja suficient pressió com per realitzar més treball útil. Per millorar l'eficiència d'aquest tipus de màquina de vapor s'utilitzen les màquines de diverses etapes. En les màquines de diverses etapes el vapor de rebuig d'una etapa s'introdueix en una altra amb un èmbol més gran per aprofitar més encara l'energia que conté.
El vapor d'una etapa s'introdueix en la qual segueix per accionar un pistó cada vegada més gran. D'aquesta manera, l'energia del vapor final de sortida s'ha aprofitat a el màxim.
Aquest increment de la mida de l'èmbol és necessari perquè cada etapa de la màquina de vapor pugui lliurar aproximadament la mateixa força d'accionament. Cal considerar que cada vegada el vapor té menys pressió. A l'augmentar la mida de l'èmbol s'augmenta la seva superfície. Segons les lleis de la física, la força d'empenta és el producte de la pressió, per l'àrea del istó.
Dins de les màquines d'èmbol destaquem els següents tipus:
- Motor de vapor d'expansió múltiple.
- Motor Uniflow o de flux uniforme.
Com funciona el motor de vapor d'expansió múltiple?
El motor de vapor d'expansió múltiple és un altre tipus de màquina de vapor. Aquest motor utilitza diversos cilindres d'acció simple. Cada cilindre té un diàmetre i moviment més gran que l'anterior.
Amb el vapor d'alta pressió de la caldera s'impulsa el primer pistó, el pistó de menor diàmetre cap avall.
En el moviment ascendent del primer pistó, el vapor parcialment expandit és accionat dins d'un segon cilindre que està començant el seu moviment descendent.
La baixada del egon pistó genera una expansió addicional de la pressió relativament alta alliberada en la primera càmera.
Així mateix, la cambra intermèdia descàrrega fins a la cambra final, que al seu torn s'allibera a un condensador. Una modificació d'aquest tipus de motor, incorpora dos pistons més petits en l'última cambra.
Les característiques d'aquest tipus de motor de vapor el van convertir en un motor òptim per usar-lo en vaixells de vapor. L'avantatge era que el condensador, a l'recuperar una mica de la potència, convertia novament el vapor en aigua que es podia reutilitzar a la caldera.
Les màquines de vapor terrestres aquest avantatge no era tan important. Les màquines terrestres podrien esgotar gran part del seu vapor i ser emplenades d'una torre d'aigua dolça, però al mar això no era possible.
Abans i durant la Segona Guerra Mundial, el motor d'expansió s'utilitzava en vehicles marins que no necessitaven anar a gran velocitat. No obstant això, quan va ser requerida més velocitat, va ser reemplaçat per la turbina de vapor.
Com funciona el motor Uniflow o de flux uniforme?
Un altre tipus de màquina d'èmbol és el motor Uniflow o de flux uniforme. Aquest tipus de motor utilitza vapor que només flueix en una direcció en cada meitat del ilindre.
L'eficiència tèrmica d'aquesta màquina de vapor s'aconsegueix tenint un gradient de temperatura al llarg del ilindre. El vapor sempre entra pels extrems calents del ilindre i surt per unes obertures al centre del efredador. D'aquesta manera, es redueix l'escalfament i refredament relatius de les parets del ilindre.
En els motors de vapor Uniflow, l'entrada de vapor sol ser controlada per vàlvules de tija que són accionades per un arbre de lleves. Les vàlvules de tija funcionen de forma similar a les usades en motors de combustió interna.
Les vàlvules d'entrada s'obren per admetre el vapor quan s'arriba al volum d'expansió mínim a l'inici del moviment.
En un cert moment de la volta de la manovella, entra el vapor i es tanca l'entrada del asquet, permetent l'expansió contínua del apor. L'entrada del apor permet accionar el pistó transmetent certa energia cinètica.
A la fi del moviment, el pistó descobrirà un anell d'orificis d'escapament al voltant de centre del ilindre. Aquests orificis estan connectats a l'condensador. Aquesta acció baixarà la pressió a la cambra causant un alliberament ràpida. La rotació contínua de la maneta és el que mou a el pistó.
Màquina de vapor de turbina
Els usos principals de les màquines de vapor de turbines són:
- Generació d'electricitat. Les màquines de turbines tenen una alta velocitat d'operació que les fa idónas per accionar un generador elèctric. Aquest tipus de màquines s'utilitzen en l'actualitat a les centrals d'energia nuclear o en les centrals tèrmiques. Amb menys freqüència també s'utilitzen en el camp de l'energia solar a les centrals termosolars.
- Motors marins de propulsió: És un motor utilitzat en submarins, que fa ús del vapor d'alta pressió per prendre aigua a través d'una entrada situada a el front, per després expulsar-a gran velocitat per la part posterior.
Les velles màquines de vapor han anat donant pas a les turbines. Les màquines de vapor de turbines milloren la seva durabilitat, seguretat, relativa simplicitat i són més eficients.
La turbina rep un doll de vapor d'aigua a elevada pressió i temperatura. Aquest raig de vapor es fa incidir de manera adequada sobre una hèlix amb àleps amb una secció determinada. Durant el pas del vapor entre els àleps del èlix, aquest s'expandeix i refreda lliurant l'energia i empenyent els àleps per fer girar l'hèlix col·locada sobre l'eix de sortida de la turbina.
Les turbines de vapor d'alta potència utilitzen una sèrie de discos giratoris que contenen una mena de pales tipus hèlix en la seva vora exterior. Aquests discos mòbils o rotors s'alternen amb anells estacionaris o estatores, fixats a l'estructura de la turbina per redirigir el flux de vapor. Amb aquest mecanisme s'obté una velocitat molt alta de rotació.
A causa de l'alta velocitat les turbines estan normalment connectades a un reductor per convertir l'energia cinètica en potència. El reductor va connectat a un altre mecanisme tal com una hèlix d'un vaixell.
Les turbines de vapor requereixen menys manteniment i són més duradores que les màquines d'èmbol. Les forces de rotació que produeixen són més suaus en el seu eix de sortida, el que contribueix a un desgast menor i menys manteniment.
On s'utilitzen les màquines de vapor de turbines?
El principal ús de les turbines de vapor és a les estacions de generació d'electricitat. En aquest tipus d'aplicació, la seva alta velocitat d'operació és un avantatge i el seu volum relatiu no és un desavantatge. Tant en els camps de les centrals tèrmiques i l'energia nuclear s'utilitza aquest tipus de motor de vapor. Pràcticament totes les centrals nuclears generen electricitat mitjançant l'escalfament d'aigua i l'alimentació de turbines de vapor.
Una altra aplicació de les màquines de vapor de turbina és la impulsió de vaixells grans i submarins. Aquestes embarcacions fan ús del vapor d'alta pressió per prendre aigua a través d'una entrada situada a el front, per després expulsar-a gran velocitat per la part posterior.