Barco a Vapor

Universidad de Managua UdeM
El más alto nivel







Tema General:
Aplicaciones De La Termodinámica
Tema Específico:
Barco a Vapor Basado En La Primera Ley De La Termodinámica

Integrantes:
Karina Walquiria Ortega Gutiérrez
Josué Otoniel Mora Espino
Yansina Marcela Ocampos Alvarado
Keyling Vanessa López Gutiérrez
Emiliano Abraham Pravia Sandoval
Leydi Lucia Pasos Rueda
Mariela del Carmen Martínez Nicaragua

Profesor: Ing. Álvaro Bengochea.
Grupo: SI05B Managua, 15 de Agosto del 2015
INDICE


INDICE 3
ANTECEDENTES 4
JUSTIFICACION 5
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 6
HIPOTESIS 7
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 8
OBJETIVOS 9
OBJETIVO GENERAL 9
OBJETIVOS ESPECIFICOS 9
INTRODUCCION 10
CAPITULO I - VAPOR COMO MEDIO DE PROPULSIÓN. 11
CAPITULO II - DISTINTAS UTILIZACIONES DEL VAPOR. 13
II.I Principales Máquinas de Vapor. 13
CAPITULO III - REVOLUCION DE LOS BARCOS A VAPOR. 16
I.I Perfeccionamiento de los barcos a vapor. 16
III.II Industria y transporte, revolucionados. 18
ANEXOS 19
CONCLUSION 20
RECOMENDACIONES 21
BIBLIOGRAFÍA 22



ANTECEDENTES

Desde la existencia del hombre se evidencia el deseo de hacer grandes descubrimientos, partiendo de una hipótesis simple o por una leve inclinación hacia la curiosidad y/o las ganas de innovar frente a los otros. Estas innovaciones pueden haber surgido a causa de pequeños interrogantes permitiendo que los seres humanos tengan avances significativos a través del tiempo.
La sentida necesidad constante del hombre por descubrir lo ha llevado a crear ideas a veces catalogadas de "irracionales", pero luego de un proceso que se lleva a cabo teniendo en cuenta la imaginación, las alternativas de solución, la innovación, la elaboración, el perfeccionamiento y el accionar hasta llegar a una demostración de que su ideal fue llevado a cabo con éxito; partiendo de un conocimiento empírico nacido de las experiencias y hallazgos casuales.
Cuenta la historia que en el año de 1629 que el arquitecto Giovanni Branca diseñó una máquina capaz de realizar un movimiento en base al impulso que producía sobre una rueda el vapor que salía por un caño. Este fue el primer intento de construcción de las que hoy se llaman turbinas de acción. La mayor aplicación de las posibilidades de la máquina como reemplazante de la tracción a sangre consistía en la elevación de agua desde el fondo de las minas.
Por ello la primera aplicación del trabajo mediante la fuerza del vapor cristaliza en la llamada máquina de fuego de Saber. La máquina de Saber consistía en un cilindro conectado mediante una cañería a la fuente de agua que se deseaba bombear, el cilindro se llenaba de vapor de agua, se cerraba la llave de ingreso y luego se enfriaba, cuando el vapor se condensaba se producía un vacío que permitía el ascenso del agua.
El invento protagonista de la revolución industrial ha sido la máquina de vapor, que ha ido evolucionando gracias a los aportes dados por diferentes estudiosos del tema, este invento ha servido como punto de referencia para la construcción de medios de transporte. En la actualidad las máquinas a vapor son poco utilizadas, ya que son de poca resistencia y eficiencia y se requiere de energía más potente para el uso sobre todo a nivel industrial, entonces se ha recurrido preferencialmente a las turbinas.

JUSTIFICACIÓN
La utilización de la energía en las aplicaciones industriales es uno de los aspectos que debe dominar el profesional relacionado con el desarrollo de dispositivos o máquinas, que van a ser empleados en los procedimientos de una empresa. La energía puede estar en la naturaleza presente de muchas formas: eólica, hidráulica, eléctrica, térmica etc.
Como una buena introducción al tema de la energía, sería estudiar el motor para convertir la energía calórica, de la llama de una vela, en energía de presión de vapor de agua que pueda ser empleada para el movimiento de un pequeño bote.
Desde tiempos de los antiguos griegos, se ha estudiado el uso del vapor como medio de propulsión para distintos medios de transporte. A lo largo de la historia, se han construido máquinas de vapor que han propulsado coches, trenes, o barcos, demostrando que tan solo el agua y el calor podían ser suficientes para propulsar un vehículo.
En nuestro caso, hemos aprovechado el principio de acción-reacción para mover nuestro barco. El agua presente en el interior de nuestra caldera metálica, al calentarse por la transmisión de calor del mechero a la caldera en la cual el agua, pasa a estado gaseoso (vapor) y aumenta la presión en el interior de la caldera.
Este vapor a presión encuentra una vía de escape en la obertura que hemos realizado, produciendo un empuje sobre el tubo de escape, que al estar montado en nuestra plataforma, hace que esta se mueva. A partir de elementos caseros se pretende elaborar un modelo de bote que pueda ser propulsado a vapor gracias a una llama, la cual calentara un tubo o lata con agua (caldera), haciendo que esta se evapore y salga por medio de un orificio.
La naturaleza del proyecto es la demostración de que es posible que una embarcación se traslade de un lugar a otro por medio de vapor de agua, sin necesidad de utilizar combustibles fósiles. En la actualidad la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares, ya que se ha visto desplazado especialmente por el motor eléctrico en la maquinaria industrial y por el motor de combustión interna en el transporte.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Desde el tiempo de los griegos, se ha estudiado el uso de vapor como medio de propulsión para distintos medios de transporte. A lo largo de la historia, se ha construido máquinas de vapor que han propulsado coches, trenes, o barcos, demostrando que tan solo el agua y el calor podían ser suficientes para propulsar un vehículo.
La aparición de la máquina de vapor se ha considerado como el inicio de la Revolución Industrial la aplicación de esta fuerte energía realmente transformo el sistema de trabajo imperante en el siglo XVII.
El siguiente proyecto ¨Barco de Vapor¨ se basa en la primera ley de la Termodinámica en que; La energía no se crea ni se destruye sino que solo se transforma¨ en esto se verá evidencia a la aplicabilidad de esta en las diferentes etapas de combustión evaporización del agua concluyendo en la movilidad de este





HIPÓTESIS

La energía Termoeléctrica producida por el vapor, suele ser la más eficiente y económica para propulsar grandes embarcaciones a nivel industrial antiguo y en la actualidad.
Debido a los avances tecnológicos, el llamado ¨Barco de Vapor¨ puede ser sustituido por barcos con mejores fuentes de energías que conllevan a una eficiencia general del mismo.
El barco estaría en desequilibrio se le agregara más peso al mismo, o dicho de otra manera, habría un desbalance en el mismo



METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN

Siendo una Investigación científica se dio a la tarea de: Observar mediante prácticas previas la reacción que ejercita dicho proyecto, analizando cada resultado.

Crear las hipótesis que surgían como teorías frente a cada dato que observábamos al momento de construir el Barco de Vapor.

Experimentar y anotar las conclusiones de dicho Barco a la hora de ponerlo a prueba.





OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un trabajo valorativo sobre el funcionamiento del barco a vapor (casero), el cual basamos su funcionamiento en la teoría termodinámica.


OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Diagnosticar el uso de fuentes alternativas de energía y combustible.
Desarrollar el contenido con respecto a las distintas utilizaciones del vapor.
Presentar el avance o revolución que adquirió la implementación de motores a vapor.



INTRODUCCIÓN

Debido a que los elementos de propulsión primitivos que el hombre utilizó para mover sus embarcaciones, como la pértiga y el remo, que exigían demasiado esfuerzo, o bien la vela que dependía del caprichoso viento, no eran todo lo seguros que necesitaba, ya que en ocasiones no le permitían llegar con bien a su destino, el hombre empezó a investigar durante mucho tiempo para tratar de encontrar un sistema mecánico o de propulsión de sus navíos con el fin de remplazar los que hasta entonces usaba.
Esto lo logró al diseñar los sistemas a base de vapor, que a su vez cambiaron por completo el diseño de los barcos, y se puede considerar que este hecho trajo consigo una modificación básica en el comportamiento de la humanidad.
Fueron muchos los intentos que se realizaron durante los siglos XVII y XVIII para llegar a inventar el sistema de vapor utilizable para desplazar a las embarcaciones En 1783 el francés D'Abbans, oficial de la marina, construyó el primer barco de vapor que consiguió remontar la corriente de un río, el Saona, aunque en una distancia corta. Dos escoceses, Miller y Symington, en 1789 diseñaron un barco de vapor que alcanzó la velocidad de 7 nudos. En Estados Unidos, en 1807, Fulton, recogiendo todas las experiencias anteriores, puso en servicio el Clermont, considerado como el primer barco de vapor completo, que demostró su utilidad durante varios años realizando el servicio entre Nueva York y Albany sobre el río Hudson, y fue al siguiente año cuando el norteamericano Stevens construyó un barco de vapor que realizó la primera travesía marítima utilizando este sistema.



CAPITULO I - VAPOR COMO MEDIO DE PROPULSIÓN.

Se observa el interés por la investigación, ante todo la lectura de textos referentes al uso de fuentes de energía que no contengan derivados del petróleo para así evitar la contaminación y contribuir a un ambiente más sano y de sobrevivencia un poco adecuados; los cuales generan muy pocos residuos contaminantes.
Se ha diagnosticado las alternativas de uso de la energía por medio de la combustión del agua dentro de una caldera, la cual arroja como resultado el accionar de una máquina a partir del vapor generado por el agua sostenida a altas temperaturas por medio de un mechero.

En este proyecto se construyó un pequeño maquina a vapor que utilizando las magnitudes termodinámicas de presión-vacío creadas en un serpentín se impulsa mediante ciclos, los cuales se dividen en evaporación-impulsión y condensación-vacío; logrando así un circuito cerrado que dependerá de la cantidad de energía en forma de calor, cedida por el combustible en este caso la vela.

Como una al tema, abordaremos un poco acerca de la energía, en este caso se estudiaría el motor para convertir la energía calorífica de la llama de una vela. En energía de presión de vapor de agua que pueda ser empleada para el movimiento de un pequeño bote.

Desde tiempos de los antiguos griegos se ha estudiado el uso del vapor como medio de propulsión para distintos medios de transporte. A lo largo de la historia se han construido máquinas de vapor que han propulsado coches, trenes, o barcos demostrando que tan solo el agua o el calor podían ser suficientes para propulsar un vehículo.
En nuestro este, hemos aprovechado la primera ley de la termodinámica ¨la energía no se crea ni se destruye, sino que se conserva. El agua presente en el interior de nuestra caldera metálica. Al calentarse por la transmisión de calor del mechero a la caldera en la cual el agua. Pasa a estado gaseoso (vapor) y aumenta la presión en el interior de la caldera.
Este vapor a presión encuentra una vía de escape en la cobertura que hemos realizado produciendo un empuje sobre el tubo de escape. Que al estar montado en nuestra plataforma hace que este se mueva.
A partir de elementos caseros se pretende elaborar un medio de bote que pueda ser propulsado a vapor gracias a una llama la cual calienta un tubo a de lata con agua, haciendo que esta se evapore o salga por medio de los dos orificios en este caso las dos válvulas o manguera.
La naturaleza del proyecto es la demostración de que es posible que una embarcación se traslade de un lugar a otro por medio de vapor de agua sin necesidad de utilizar combustiones fósiles
En la actualidad la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares ya que se ha visto desplazado especialmente por el motor eléctrico en la maquinaria industrial y por el motor de combustión interna en el transporte.




CAPITULO II - DISTINTAS UTILIZACIONES DEL VAPOR.

Explicado de forma simplificada, lo que se entiende en la actualidad por máquina de vapor consiste en un cilindro hueco, con un émbolo o pistón que se desliza en su interior. Cuando el vapor de agua se introduce en el cilindro, hace elevar el pistón gracias a la presión que produce al expandirse.
Este movimiento del pistón se transmite a través de un cigüeñal o de un eje, comunicándose con un brazo o con una rueda, que efectúan el trabajo mecánico.
El vapor se origina mediante agua calentada por leña o carbón en una caldera, y utiliza dos válvulas: una para extraer el vapor del cilindro y devolver el pistón a su posición original, y otra para volver a introducir vapor, y recomenzar el ciclo de trabajo.
II.I Principales Máquinas de Vapor.
Primeros diseños.
El primer aparato que utilizaba la energía del vapor para moverse, fue el "aeolipile", un juguete creado por Herón de Alejandría en el siglo I. También hay constancia de algunas aplicaciones de la fuerza del vapor en mundo antiguo y clásico, pero sin uso práctico, más allá del fomento de la superstición. Sus economías basadas en el esclavismo hacían que las investigaciones tecnológicas carecieran de utilidad. Durante el medioevo, por otra parte, la ciencia y la investigación cayeron en una oscuridad de siglos.
Por ello, no fue hasta finales del siglo XVII cuando el inglés Thomas Savery dio al vapor su primera utilización práctica: bombas de vapor para extraer agua de las minas. El agua era extraída por una tubería hacia un recipiente donde se había creado el vacío, mediante condensación por enfriamiento. Sin embargo, eran unos artilugios muy peligrosos, por su alto riesgo de explosión.


Máquinas térmicas:

Una máquina térmica es un dispositivo que realiza un trabajo mediante un proceso de paso de energía desde un foco caliente hasta un foco frio.
Las máquinas térmicas o motores térmicos aprovechan una fuente de energía para realizar un trabajo mecánico. La energía transferida como calor a la máquina no puede a su vez ser transferida íntegramente por esta como trabajo: una parte de la energía debe ser transferida como calor.
Por ello las máquinas térmicas constan de dos partes:
Un foco caliente, que cede energía a la máquina mediante calor.
Un foco frío, que recibe energía de le máquina también mediante calor.

Máquina de vapor:
Fue la máquina térmica más utilizada hasta el siglo XX. La energía obtenida al quemar el combustible (gas, petróleo, carbón...) se emplea en calentar agua hasta convertirla en vapor.
Este vapor desplazaba el émbolo, realizando así un trabajo. Se utilizaban mucho en las locomotoras de vapor para el ferrocarril, pero en la actualidad ya no se usan tanto.
La máquina de vapor realiza su ciclo de trabajo en dos cursos:
Se forma vapor de agua en un cilindro cerrada por calentamiento, esto produce la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón. Mediante un mecanismo de biela - manivela, el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se convierte en un movimiento de rotación que acciona.
El vapor a presión se controla mediante una cadena de válvulas de entrada y salida que regularizan la renovación de la carga, es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro. 
NOTA: Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no son ya de émbolo o desplazamiento positivo, sino que son turbomáquinas, es decir, atravesadas por un flujo continuo de vapor y toman la denominación e introduce en el cilindro arrastrando el émbolo o pistón en su expansión; empleando E. Genérica de turbinas de vapor.
Turbinas de vapor:
Las turbinas de vapor expulsan un chorro de vapor, calentando con la energía generada en la quema de un combustible, incide sobre las paletas de la rueda giratoria de la turbina realizando un trabajo mecánico de rotación.
Se utiliza en las centrales termoeléctricas para mover los generadores eléctricos y en los barcos para accionar las hélices.

Motores de explosión:

Se utilizan en los automóviles. Aprovechan la energía generada en la combustión de una mezcla de aire con gasolina para mover un pistón.
El trabajo mecánico del movimiento del pistón de aprovecha para el desplazamiento del vehículo.

Motor de reacción:

También llamado turbina de gas. Es una máquina térmica de mayor potencia que el motor de explosión. Los gases generados continuamente al quemar un combustible son expulsados hacia atrás por una tobera impulsando el vehículo hacia delante. Se utilizan en aviación, para conseguir una mayor velocidad.







CAPITULO III - REVOLUCION DE LOS BARCOS A VAPOR.

La Energía Termoeléctrica como fuente factible, debido a que desde la antigüedad, el ser humano ha necesitado generar energía térmica para cubrir sus necesidades de abrigo, alimentación, iluminación, fabricación de herramientas, y también para resolver todos aquellos problemas que no puede afrontar con el sólo uso de su fuerza física, como accionar medios transparentes, maquinarias , armamento, etc.
I.I Perfeccionamiento de los barcos a vapor.
Alrededor de 1860 se extienden las calderas cilíndricas, inspiradas en las utilizadas en las primeras locomotoras a vapor, que permitieron resolver el problema del vapor a baja presión, que proporcionaba un empuje muy modesto. El vapor a alta presión obtenido por estas calderas permitió incrementar muy notablemente la potencia desarrollada por las máquinas de vapor, lo cual significó un aumento notable de velocidad.
Posteriores mejoras como la caldera de triple y cuádruple expansión lograron atajar uno de los principales inconvenientes de la propulsión por vapor, el consumo de carbón. De este modo se conseguía una eficiencia energética muy superior. Estas mejoras reflejadas en una mayor velocidad y un menor consumo hicieron que los vapores se hicieran con la práctica totalidad de las rutas comerciales.
Los avances de la metalurgia permitieron la construcción de barcos de hierro y posteriormente de acero, con estos elementos se empezaron a construir naves de tamaño que no podía alcanzar la madera. Los cascos se hicieron más sólidos y más ligeros a la vez, sin peligro de resquebrajamientos.
No obstante, aunque los vapores daban velocidades similares o incluso inferiores a algunos barcos (los últimos clippers llegaban a los 17,5 nudos), no estaban sometidos al capricho de los vientos que no siempre soplaban en la dirección o con la fuerza requeridas, además de ser aquellos mucho menos vulnerables que éstos a las tormentas al carecer de la frágil arboladura, punto débil de cualquier barco de vela.
Los barcos a vapor supusieron un notable avance en la conquista de las rutas marítimas con independencia de la climatología. Además cambiaron por completo la fisonomía de los barcos, haciendo desaparecer las velas, un elemento invariable de los navíos desde que hacía más de 7.000 años habían aparecido las primeras velas en el Nilo.
En 1894 se introduce la turbina de vapor de manos de Charles Algernon Parsons, puesta en servicio en el Turbinia alcanzando una velocidad de 18 nudos, y sustituida en 1896 por tres turbinas de presión alta, media y baja, accionando otras tantas hélices que le permitieron alcanzar los 35 nudos. Con esta velocidad quedaban definitivamente derrotados los veleros.
Ya en 1836 Smith y Ericsson llevaron a la práctica el primer barco con hélice, que vinieron a sustituir a las ruedas de paleta, en 1897, Joseph Ressel dio con el diseño definitivo y eficaz de hélice, que será utilizado hasta nuestros días, lo que permite un aprovechamiento más eficiente de la energía proporcionada por el motor de vapor.
Muy pronto los buques de vapor fueron equipados con hélices sumergidas y los vapores de ruedas fueron desarmados y dados de baja. Ese mismo año de 1897 Rudolf Diesel desarrolla el motor que llevará su apellido, basado en la combustión interna de otro combustible fósil, esta vez derivado del petróleo. Este hito supondrá a la larga el fin de los vapores del mismo modo que el motor de vapor supuso el fin de la vela.
En los inicios de la era contemporánea, la máquina de vapor revolucionó la industria y el transporte, logrando convertir el calor en energía mecánica. Una de las grandes diferencias entre la era contemporánea y épocas pasadas, sin duda estriba en las máquinas impulsadas por la energía producida por combustibles.
Convertir el calor en movimiento fue lo que permitió la aparición de mecanismos de enorme fuerza, que cambiaron tanto la forma de recorrer distancias, como la manera de organizar y producir el trabajo. Y el primero de estos mecanismos fue la máquina de vapor.
III.II Industria y transporte, revolucionados.
El primer tren de carga accionado mediante vapor funcionó en 1804, y el de pasajeros en 1808, ambos diseñados por Richard Trevithick, cuyo éxito condujo a la construcción de otros vehículos de vapor. Pero fue George Stephenson quien construyó la primera locomotora ferroviaria utilizable, cuando en 1825 creó la línea regular entre Darlignton y el puerto de Stockton. El tren pronto revolucionó el transporte de largo recorrido.
El primer buque de vapor, accionado por ruedas, fue el Clermont, diseñado por el estadounidense Robert Fulton, quien navegó con él por el río Hudson en 1807. En 1819, el buque Savannah cruzó el Atlántico, pero no se instituyó un servicio trasatlántico regular, mediante barcos de vapor, hasta 1840.
Por su parte, en la industria textil, los telares, que a lo largo de todo el siglo XVIII se vieron alterados por continuas innovaciones, incluyeron el vapor en su funcionamiento en 1785. Fue en este año cuando Edmund Cartwright patentó el telar mecánico, donde los movimientos de manos y pies se sustituían por el bamboleo producido por una máquina de vapor. El invento provocó disturbios entre los obreros que vieron desplazados sus puestos por máquinas –por vez primera -, pero a principios del siglo XIX, prácticamente toda la industria textil funcionaba a vapor.





ANEXOS




CONCLUSIÓN

Desde tiempos de los antiguos griegos se ha estudiado el uso del vapor como medio de propulsión para distintos medios de transporte. A lo largo de la historia se han construido máquinas de vapor que han propulsado coches, trenes, o barcos demostrando que tan solo el agua o el calor podían ser suficientes para propulsar un vehículo.
En los inicios de la era contemporánea, la máquina de vapor revolucionó la industria y el transporte, logrando convertir el calor en energía mecánica. Una de las grandes diferencias entre la era contemporánea y épocas pasadas, sin duda estriba en las máquinas impulsadas por la energía producida por combustibles.
Los barcos a vapor supusieron un notable avance en la conquista de las rutas marítimas con independencia de la climatología. Además cambiaron por completo la fisonomía de los barcos, haciendo desaparecer las velas, un elemento invariable de los navíos desde que hacía más de 7.000 años habían aparecido las primeras velas en el Nilo.



"Convertir el calor en movimiento fue lo que permitió la aparición de mecanismos de enorme fuerza, que cambiaron tanto la forma de recorrer distancias, como la manera de organizar y producir el trabajo"




RECOMENDACIONES



BIBLIOGRAFÍA

First Law Of Thermodynamics M. Olmo R. Nave
Boltzmann, Ludwig (1986). Escritos de mecá- nica y termodinámica. Alianza Editorial
Pérez Cruz, Justo R. (2005). La Termodinámica de Galileo a Gibbs. Fundación Canaria Orotava de His- toria de la Ciencia.
Planck, Max (1990). Treatise on Thermodynamics. Dover Publications
Callen Herbert B. Termodinámica: Introducción a las teorías físicas de la termostática del equilibrio y de la termodinámica irreversible. Editorial AC, libros cientí cos y técnicos, Madrid.
Zemansky, Mark W. (1985). «Calor y termodinámica». Madrid: McGraw-Hill.
Reif, Federick (1985). «Fundamentals of Statistical and Thermal Physics». McGraw-Hill.
Wikipedia, la enciclopedia libre. www.wikipedia.com
Rincón del Vago. www.elrincondelvago.com
Ojo Curioso, www.ojocurioso.com