Motores de Combustión Externa: Funcionamiento y Aplicaciones de Máquinas y Turbinas de Vapor

Motores de Combustión Externa: Principios y Aplicaciones

Los motores de combustión externa son máquinas térmicas que transforman la energía calorífica en energía mecánica. A diferencia de los motores de combustión interna, la combustión del combustible se realiza fuera del cilindro motor, calentando un fluido de trabajo (generalmente agua) que luego se expande para producir movimiento. Dentro de esta categoría, destacan principalmente la máquina de vapor y la turbina de vapor.

La Máquina de Vapor: Componentes y Funcionamiento

La máquina de vapor es un motor de combustión externa que utiliza el vapor de agua como fluido de trabajo. Sus elementos principales y las funciones que realizan son:

• Hogar: Es un elemento exterior a la máquina donde se realiza la combustión del combustible.
• Caldera: Recipiente donde se genera el vapor. El agua, impulsada por una bomba, penetra en la caldera en estado líquido, a alta presión y a una temperatura próxima a la temperatura ambiente. En la caldera, el agua se calienta y se vaporiza, pasando a continuación a un sobrecalentador donde se eleva aún más su temperatura, manteniendo la presión de la caldera. Finalmente, el vapor sobrecalentado pasa al cilindro.
• Cilindro Motor: Está compuesto por la caja de distribución, la corredera y el émbolo. En el interior del cilindro, el vapor se expande, originando en el émbolo un movimiento alternativo que será transmitido a los elementos de transformación de movimiento. La función de la corredera es dirigir el vapor dentro del cilindro para lograr el movimiento alternativo del émbolo. Además, al expandirse el vapor, su presión y temperatura disminuyen, y parte se condensa. Esta mezcla de líquido y vapor pasa a un condensador, donde el vapor restante se condensa, cediendo calor a un refrigerante. Finalmente, el líquido condensado es enviado de nuevo a la caldera mediante una bomba, completando así el ciclo.

La Turbina de Vapor: Eficiencia y Usos Modernos

Las turbinas de vapor constituyen una alternativa eficiente para el aprovechamiento de la expansión del vapor. En ellas, el vapor es distribuido por toberas que actúan directamente sobre las paletas de una rueda, haciéndola girar a velocidades de hasta 10.000 rpm. Al pasar por las toberas, el vapor pierde presión y gana velocidad, al tiempo que se orienta el flujo para que incida tangencialmente sobre las paletas.

Este dispositivo presenta la ventaja de carecer de cilindro y mecanismos de transformación de movimiento, lo que contribuye a un mayor rendimiento. El esquema básico de funcionamiento y el ciclo de Rankine para la turbina son los mismos que para la máquina de vapor. No obstante, sobre el ciclo básico se realizan habitualmente modificaciones con el fin de mejorar el rendimiento global. Dos de las más importantes son:

• Recalentamiento del vapor: Para obtener trabajo adicional mediante su expansión.
• Precalentamiento del agua: A la entrada de la caldera, extrayendo parte del vapor antes de su expansión completa.

Las turbinas de vapor se emplean en la actualidad en diversas aplicaciones, incluyendo:

• Centrales de producción de energía eléctrica.
• Propulsión de buques.
• Instalaciones de altos hornos.
• Sistemas de cogeneración de energía.