Historia de la locomotora : un chorro de vapor , cuál es su velocidad ? , cómo se utiliza ? , cómo se obtiene ?

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Si el vapor de una caldera a 17,57 kilogramos de presión sufre una expansión a través de una tobera de turbina, descendiendo a la presión de una libra, desarrolla en la corta distancia de unos pocos centímetros (la longitud de la tobera) tanta velocidad como la de la bala del fusil Ross, o sea 77 kilómetros por minuto. Algunas calderas se proyectan hoy para producir vapor, recalentado varios grados, a una presión de 42,18 kilogramos. Admitiendo que a este vapor, a una temperatura de 329 grados centígrados, se le permita una expansión hasta descender a una presión de una libra, el chorro, al salir de la tobera, tendría, despreciando las pérdidas por rozamiento, una velocidad de unos 85,50 kilómetros por minuto. Esta era la mayor velocidad alcanzada por cuerpos cuyos movimientos estaban hasta cierto punto dirigidos por el hombre en aquellos años , pero que en la actualidad fue ampliamente superada .

La manera de calcular la velocidad de un chorro de vapor es muy semejante a la empleada para calcular la velocidad de un chorro de agua, y los fenómenos fundamentales pueden ser comprendidos en ambos casos, aun cuando los cálculos que hay que hacer requieran un considerable conocimiento de física y de matemáticas.

ejemplo más sencillo del movimiento de salida de los fluidos es el del agua marchándose por un orificio practicado en el fondo de un depósito. Aquí el agua está obligada a salir por el peso del líquido sostenido en el depósito, y, como puede probarse fácilmente, si no hubiese pérdidas por rozamiento la velocidad del chorro de agua sería exactamente la misma que la de un cuerpo cayendo libremente a través de la misma distancia. En este caso no hay una expansión apreciable del agua; así que su movimiento de avance se debe solamente al empuje del agua de encima; es decir, a la presión debida a la diferencia de nivel sobre el orificio. En el caso del escape del vapor, el aire comprimido o cualquier otro fluido expansivo, el flujo se debe no tan sólo al empuje del gas que hay detrás del orificio, sino también a la expansión del gas mismo, pues sus moléculas se separan unas de otras durante su marcha a través del orificio. Por tanto, la velocidad de un chorro de vapor no puede ser calculada tan fácilmente como la de un chorro de agua, a causa de que la energía que lo engendra no es solamente la atracción de la Tierra, que hace marchar el agua hacia adelante, sino que se debe a la presión del fluido, más la energía interna liberada por la sustancia misma en su expansión. Si tomarnos, por tanto, la suma de estas dos energías, la debida al trabajo producido por el fluido que hay detrás de la porción móvil, más la energía debida a su estado de actividad molecular , y llamarnos a su suma la energía total, entonces la ecuación de la velocidad del chorro tiene la misma forma general que en el caso del agua. Así, para el agua,

donde (h1 - h2) , es el decrecimiento en la fuerza gravitatoria conforme el agua se mueve más próxima al centro de la Tierra. Del mismo modo, la velocidad de un chorro de vapor o aire puede ser calculada por la fórmula

donde (i1 - i2) representa el decrecimiento de la energía total aprovechable en el movimiento de este fluido.Existen gráficos y tablas que les permiten leer directamente los valores de la energía total del vapor para cualesquiera condiciones determinadas.

Las grandes diferencias de velocidad en los chorros de agua y de vapor motivan, como es natural, diferencias correspondientes en el tipo de turbinas actuadas por tales chorros. La teoría de las turbinas enseña que la velocidad de las paletas sobre las que choca el chorro debe ser algo menor que la velocidad del chorro mismo. En el caso de las turbinas hidráulicas, esto da para la circunferencia de la rueda una velocidad muy moderada; pero en el caso de. las turbinas de vapor puede significar que los alabes del órgano giratorio marchen a velocidades de 152 ó 304 metros por segundo; de modo que se necesita tener gran cuidado en el trazado de la máquina y en la elección de los materiales para evitar roturas con velocidades angulares tan elevadas.

La energía poseída por un cuerpo en movimiento se calcula fácilmente por la ecuación :

que basta multiplicar por 0,3048 para obtener la velocidad en metros por segundo.
Así, un kilogramo de vapor moviéndose a 6oo metros por segundo posee una cantidad de energía igual a 4.000 kilográmetros. La energía contenida en un chorro de vapor moviéndole rápidamente puede utilizarse en producir trabajo siempre que se haga chocar el chorro contra algún cuerpo móvil, tal como la rueda de una turbina, o una corriente de agua en un inyector, o vapor a baja temperatura aspirado por un condensador. En todos los casos el chorro de vapor retrasa su marcha, perdiendo, por tanto, parte de su energía cinética, que es transmitida al cuerpo contra el cual choca.

La acción de un chorro de vapor

Un ejemplo, de la utilización de un chorro de vapor para impulsar una corriente de agua lo tenemos en la acción del inyector de vapor empleado ordinariamente para introducir agua de alimentación en las calderas. En estos instrumentos el vapor pasa a través de una tobera, dispuesta para permitirle alcanzar una velocidad extraordinariamente elevada y situada de tal modo que el chorro saliente de vapor entre directamente en medio de un cono de agua, suministrado por una bomba aspirante. Como el chorro rápido de vapor y el lento cono de agua van marchando en la misma dirección, el resultado del encuentro es que el vapor se retrasa y el agua se acelera, produciéndose con la mezcla del vapor y el agua fría una corriente de agua caliente que marcha con una velocidad intermedia. Esta velocidad es suficiente para vencer una presión mayor que la correspondiente a la de la caldera de donde se ha tomado el vapor o a una presión mucho más elevada. A primera vista esto parece imposible, pues se inclina uno a pensar que el agua caliente debía circular con una velocidad igual a la del vapor. Pero debe tenerse en cuenta que el agua, si no se vaporiza parcialmente, aumentando así de volumen, deberá marchar solamente con una velocidad igual a la producida por una diferencia de nivel que originase tanta presión como la del vapor en la caldera, mientras que el vapor que sale de ésta bajo el ímpetu de la presión que en ella existe adquiere una velocidad adicional debida a la utilización de su propia energía interna en su expansión a través de la tobera que hay dentro del inyector. El chorro de vapor tiene así una velocidad muchas veces mayor que la que poseería un chorro de agua caliente saliendo de la misma caldera bajo la acción de la presión solamente. Un kilogramo de vapor posee energía bastante para llevar consigo 10 o 15 kilogramos de agua fría dentro de la caldera, variando naturalmente la cantidad de agua con la cantidad de energía cinética poseída por el
vapor.

Cómo actúa el calor en la caldera

Naturalmente, el vapor que sale de una caldera no puede obligarse a sí mismo a retroceder como tal vapor, pues entonces la cantidad de trabajo exigida para obligarle a retroceder desde la baja presión a la alta, y bajo la expansión que ha tenido lugar en la tobera, sería igual a la desarrollada en ésta, aun suponiendo que no hubiese pérdidas por rozamiento. La única manera con que el vapor puede hacerse, retroceder a sí mismo e introducirse en la caldera es disminuyendo la cantidad de trabajo necesario para este proceso, y esto se cumple automáticamente cuando el vapor se condensa al mezclarse con el agua en el inyector, disminuyendo así el volumen que ha de ser forzado a retroceder hacia la caldera.

La acción del calor utilizando su energía interna en su expansión puede ser comparada con la de un gran número de resortes comprimidos apilados unos sobre otros, cuando se hace desaparecer la fuerza de contención. Así, si suponemos que se desatan las ligaduras que mantienen comprimido el resorte superior, éste se movería hacia arriba súbitamente y levantaría un peso que hubiera sobre él. Si lo que suponemos es que las ligaduras que comprimen a todos los resortes se desatan simultáneamente, entonces cualquier resorte de la pila se movería hacia arriba, no solamente a causa de su propia expansión, sino también por la expansión de los resortes que hay bajo él. Cada resorte, al ser levantado, recibirá el trabajo de aquellos que están bajo él, y a su vez ayudará a levantar a los resortes que están sobre él no solamente con este trabajo, sino también con su propia expansión.

La acción del vapor en su expansión a través de una abertura es en cierto sentido semejante. Si se abre un orificio en el costado de una caldera, todo el vapor de ésta empezará a correr hacia allí; el vapor más alejado se moverá lentamente; el más cercano a la abertura, con una velocidad siempre creciente, debido no tan sólo al empuje del vapor que hay detrás de él , sino también a su propia expansión. El vapor en la abertura será empujado hacia adelante muy rápidamente por la expansión general del vapor que hay tras él; y a causa de esto, junto con el efecto producido por su propio aumento rápido de volumen, debido al decrecimiento de la presión a que está sujeto, entrará finalmente en la atmósfera con una velocidad muy elevada.

Otra analogía puede servirnos para aclarar la manera de obrar de este chorro de vapor. A la terminación de un juego de pelota, los espectadores convergen lentamente, desde todas las partes del campo, hacia la puerta de salida; cada individuo empujando a otro e interfiriendo con el movimiento lateral de otros, pero adquiriendo gradualmente mas rápido movimiento hacia adelante, hasta que conforme pasan a través de la puerta se separan (expansión puede
llamarse a esto ) y la multitud se desparrama, muchos corriendo aun para escapar de la presión de los que vienen detrás. Si la abertura a través de la cual pasa el vapor está hecha con una porción convergente dirigida hacia la sección de entrada y una porción abocinada hacia fuera del orificio, entonces el paso de una corriente de moléculas de vapor a través de una tobera así es algo análogo a esto que acabarnos de decir. Debido a la sección estrechada de la tobera las moléculas se empujan unas a otras conforme pasan por el área reducida del agujero, y en cierta extensión se impiden mutuamente movimientos laterales. Las moléculas prosiguen luego separándose, el volumen del gas aumenta y toda la masa se acelera con una velocidad rápidamente creciente conforme progresa a lo largo de la tobera.