Proyecto - Motor de vapor Grupo 02

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FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA 
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA INDUSTRIAL 
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN: 
“Máquina de Vapor”
Grupo: 02
INTEGRANTES:
CHIROQUE CASTILLO, Hellen Liliana
COLLAZOS CACERES, Senin Alex
CORIMANYA IPANAQUÉ, José Oscar
FERNÁNDEZ ROJAS, Lisselyn Judith
SALINAS IPANAQUÉ, Piero Leandro
DOCENTE:
LEVA APAZA, Antenor
CICLO: II AULA: A8T1
LIMA – PERÚ
2020-II
ÌNDICE
INTRODUCCIÓN 
CAPITULO I: PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN 
1.1 Planteamiento del problema
 1.2 Formulación del problema 
1.2.1 Problema general 
1.2.2 Problemas específicos
 1.3 Justificación 
1.4 Limitaciones 
1.5 Antecedentes
 1.6 Objetivos 
1.6.1 General 
1.6.2 Específicos 
CAPITULO II: MARCO TEÒRICO 
2.1 Definición de términos básicos 
2.2 Teoremas y propiedades 
CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO 
3.1 Hipótesis 
3.1.1 Hipótesis general 
3.1.2 Hipótesis específicas
 3.2 Variables 
3.3. Metodología 
3.3.1 Tipo de estudio 
3.3.2 Diseño 
3.4 Población y muestra
 3.4.1 Población
 3.4.2 Muestra
 3.5 Método de investigación
3.6 Técnicas e instrumentos de recolección de datos 
3.6.1 De recolección de datos 
3.6.2 De validez y confiabilidad de instrumentos 
3.7 Métodos de análisis de datos 
CAPITULO IV: RESULTADOS 
4.1 Descripción 
4.1.1 Análisis e interpretación de datos
 4.2 Contrastación de hipótesis 
CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS
 5.1 Conclusiones 
5.2 Sugerencias 
REFERENCIAS BIBLIOGRÀFICAS
 ANEXOS
INTRODUCCIÒN:
Los motores de vapor usan la potencia del vapor para hacer funcionar máquinas. Fueron inventados a finales del siglo XVII y se utilizaron durante muchos años para hacer funcionar trenes, automóviles, barcos y otras máquinas. Los motores de vapor tuvieron un papel muy importante en la Revolución industrial.
El principio básico de la máquina de vapor es la transformación de la energía calorífica del vapor de agua en energía mecánica, haciendo que el vapor se expanda y se enfríe en un cilindro equipado con un pistón móvil. 
El vapor utilizado en la generación de energía o para calefacción suele producirse dentro de una caldera. La caldera más simple es un depósito cerrado que contiene agua y que se calienta con una llama hasta que el agua se convierte en vapor saturado. Los sistemas domésticos de calefacción cuentan con una caldera de este tipo, pero las plantas de generación de energía utilizan sistemas de diseño más complejo que cuentan con varios dispositivos auxiliares. La eficiencia de los motores de vapor es baja por lo general, lo que hace que en la mayoría de las aplicaciones de generación de energía se utilicen turbinas de vapor en lugar de máquinas de vapor.
1.1 Planteamiento del problema:
En un nivel global los motores en sus vertientes de vapor y agua caliente, están muy poco consideradas dentro del uso industrial como no industrial debido a las diferentes opciones actualmente. Es correcto afirmar que esta cuenta con un sistema de combustión, alimentación de combustible y aire primario y secundario; así como un generador de vapor, sobre calentador, caja de humos y tiraje inducido. También posee un motor de vapor alternativo, válvula de distribución asociada, sistema de regulación y control y sistema de lubricación; almacenamiento de agua y de combustible. En consecuencia, los motores son recipientes a presión, construidas en parte con acero laminado. 
Este tipo de máquinas, tuvo sus inicios en a fines del siglo XVIII fue uno de los instrumentos que mayor beneficio brindó a la sociedad en la revolución industrial. La máquina de vapor genera energía mecánica partiendo de energía térmica. Además tienen ya una finalidad industrial y diferentes aportaciones.
Para el caso puntual de la sociedad actual, la utilización de los motores es extensa debido al rol fundamental que se les da en la industria como herramienta para lograr una reducción en los tiempos de producción y distribución. 
1.2 Formulación del problema 
En las últimas décadas, los motores de combustión interna han aparecido de forma masiva en las ciudades, contribuyendo a incrementar los problemas de contaminación atmosférica. Los principales contaminantes lanzados por los automóviles son: monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx) e hidrocarburos no quemados (HC). Por lo anteriormente expuesto, se concluye que el proyecto de difundir la utilización de motores a vapor es una de las mejores opciones y trae mayores ventajas en la actualidad. Además de informar acerca de su importancia en la Revolución Industrial.
1.2.1 Problema general 
La contaminación ambiental llega a ser un gran problema para los ciudadanos, además del tráfico de los que son causantes los vehículos de transporte actuales con motores de combustión interna.
1.2.2 Problemas específicos
· Existe poca información de las aplicaciones del motor de vapor en la actualidad.
· Falta del desarrollo de la ingeniería sobre el proyecto de investigación del motor de vapor.
· Escaso desarrollo en la descripción de la máquina de vapor en la ingeniería de proyecto.
1.3 Justificación 
Este proyecto es interesante ya que muestra el principal funcionamiento de las máquinas de vapor así como sus antecedentes, además de sus aportaciones a la sociedad.
También muestra la forma en la que la física influyo en su creación hasta el día de hoy. La máquina de vapor puede tener tantas aplicaciones como poder generar movimiento mecánico con un principio tan sencillo como es el pistón, o la intervención de los combustibles hechos a gas utilizando el mismo principio de una máquina de vapor, solo que es una manera más evolutiva y actual. 
Abordaremos este trabajo partiendo de su funcionamiento: Las máquinas térmicas o motores térmicos aprovechan una fuente de energía para realizar un trabajo mecánico, donde la máquina a vapor fue la máquina térmica más importante del siglo XX, donde vamos a atribuir la segunda ley de la termodinámica.
1.4 Limitaciones 
Las principales limitaciones de este proyecto son:
· La poca información de la sociedad acerca de este motor.
· El deseo por obtener motores más económicos debido al bajo presupuesto.
· El poco conocimiento de las ventajas que este trae.
· Los integrantes de este equipo van a estar en diferentes lugares por lo cual nuestro medio de comunicación será a través de reuniones virtuales.
1.5 Antecedentes
 La historia de los primeros pasos de la máquina de vapor nos exige algunas aclaraciones previas sobre los principios en que está basada y en particular sobre la evolución de las ideas referentes a la presión atmosférica.
En 1644 Torricelli enunció que la presión de la atmósfera era igual a la ejercida por una columna de mercurio de unos 760 milímetros de altura aproximadamente.
En 1654, Von Guericke, con su famoso experimento de Magdeburgo, hizo una espectacular demostró de la inmensa fuerza que la atmósfera podía ejercer. Mostró que cuando dos hemisferios de 50 centímetros de diámetro perfectamente ajustados eran unidos de manera que formasen una esfera y se hacía el vacío en su interior, dos tiros de ocho caballos cada uno no podían separarlos. En otro experimento más inmediatamente relacionado con la historia de la máquina de vapor mostró que cuando se creaba un vacío parcial bajo un émbolo de grandes dimensiones introducido en un cilindro, la fuerza sumada de cincuenta hombres no podía evitar que la presión atmosférica llevase el émbolo al fondo del cilindro.
Tales experimentos dieron vida a la idea de que si se pudiese encontrar algún medio sencillo para crear el vacío repetidas veces se podría utilizar la presión atmosférica como una ventajosa fuente de energía. En ello se basan las máquinas de vapor llamadas atmosféricas.
1.6 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.6.1 General 
Obtener información acerca del motor de vapor y su aplicación en la industria.
1.6.2 Específicos
· Conocer diferentes aplicaciones del motor de vapor y su aceptación en las industrias.
· Desarrollar la ingeniería de proyecto en la investigación acerca del motor de vapor.
· Desarrollar la ingeniería de proyecto en la descripción de la máquina de vapor.CAPITULO II: MARCO TEÒRICO 
2.1 Definición de términos básicos 
Esta presentación tratará acerca del rendimiento del motor y su importancia al ser implementado actualmente.
Existen múltiples factores que determinan el rendimiento del motor. Las condiciones de operación del motor y su aplicación específica afectan su rendimiento. Sin embargo, muchos de los factores determinantes del rendimiento dependen de la fabricación del motor.
La implementación de este motor actualmente es una gran opción al momento de evitar la contaminación y reduciendo los tiempos de producción y distribución ya que se puede desplazar a una mayor velocidad, reduciendo el tiempo de espera en el traslado de materia prima u otros objetos. 
2.2 Teoremas y propiedades 
La teoría sobre el ciclo termodinámico del motor de combustión externa no fue desarrollada hasta varios años después de su invención en 1654, puesto que los dos primeros principios de la termodinámica fueron publicados en Francia. El motor de vapor ideal tiene ciertas similitudes con el ciclo ideal de Carnot. Puesto que la expansión isoterma se realiza a mayor temperatura que la compresión isoterma, se cede un trabajo neto. 
El fluido de trabajo intercambia calor con el exterior tanto en las isotermas como en las isocoras. Además, el calor intercambiado en los procesos es igual y de sentido contrario. Este dispositivo es el encargado de almacenar el calor sobrante del proceso de expansión y devolverlo al fluido en su proceso de calentamiento de vuelta al cilindro de expansión. Si el regenerador fuese capaz de ceder todo el calor absorbido en 2 - 3 al proceso 4 - 1, la eficiencia de dicho regenerador sería del 100%, y por tanto, lograríamos que el ciclo Stirling tuviera un rendimiento igual al de Carnot (si todo lo demás fuese ideal también), pues el calor absorbido neto sería el de la isoterma 3-4 y el calor cedido neto el de la isoterma 1-2, dando lugar a un rendimiento térmico expresado como:
Donde TH y TC son temperaturas en el foco caliente y el foco frío respectivamente. De esta manera un motor de combustión externa ideal, cumple el ciclo de Carnot y tiene por tanto, el rendimiento máximo que una máquina térmica puede alcanzar, según el “Primer teorema de Carnot”.
Consideremos un cilindro que contenga dos pistones opuestos, con un regenerador entre los pistones. Como ya hemos dicho el regenerador es una especie de “esponja termodinámica” que alternativamente absorbe y cede calor del y hacia el fluido de trabajo. El volumen entre el regenerador y el pistón de la derecha es el “cilindro de expansión” y se mantiene a una temperatura constante . El otro volumen se denomina “cilindro de compresión” y se mantiene a una temperatura constante . Existe entonces un gradiente de temperatura entre los extremos del regenerador y suponemos que no hay conducción térmica en la dirección longitudinal por el material del que está hecho el regenerador. Además también tomamos las hipótesis de que los pistones se mueven sin fricción y no hay fugas del fluido de trabajo. El ciclo empieza estando el pistón de compresión en el punto muerto inferior (máximo volumen del cilindro de compresión) y el pistón de expansión está en su punto muerto superior junto al regenerador. En este momento todo el fluido de trabajo disponible está en el cilindro de compresión, suponiendo que el volumen del regenerador es mucho menor que éste. En este punto la presión y la temperatura en el sistema toman sus valores mínimos. A continuación, veremos los procesos por los cuales el motor de vapor es ejecutado:
Proceso 1 – 2:
 Compresión isoterma el pistón de compresión se mueve hacia el regenerador, mientras el pistón de expansión permanece quieto (esto obviamente solo ocurre en el caso ideal). El fluido de trabajo está siendo comprimido y la presión está aumentando mientras que la temperatura se mantiene constante a la compresión isoterma del fluido de trabajo que implica una transferencia de calor desde el fluido hacia el exterior. No hay ningún cambio en la energía interna del fluido y por tanto el trabajo que se está ejerciendo sobre el fluido equivale el calor que éste está cediendo al exterior. La entropía disminuye.
Proceso 2 – 3:
 Transferencia de calor a volumen constante El pistón de compresión se mueve hacia el regenerador y simultáneamente el pistón de expansión se separa de éste, de modo que el volumen entre los pistones es constante. La temperatura del fluido de trabajo aumenta paulatinamente desde hasta , a medida que el regenerador le transfiere calor. Esto hace aumentar la presión a volumen constante. No se realiza trabajo y el aumento de la temperatura del fluido sólo hace aumentar su energía interna y entropía.
Proceso 3 – 4: 
Expansión isoterma El pistón de expansión sigue alejándose del regenerador mientras que el pistón de compresión permanece en su punto muerto superior (mínimo volumen del cilindro de compresión). La temperatura se mantiene constante en gracias a la fuente externa de calor. La presión disminuye a medida que el volumen aumenta. El fluido realiza trabajo sobre el pistón al expandirse, en la misma cantidad que el calor que recibe. No hay cambios en la energía interna del fluido aunque sí hay aumento de la entropía.
Proceso 4 – 1: 
Transferencia de calor a volumen constante El pistón de expansión se mueve hacia el regenerador y simultáneamente el pistón de compresión se separa de éste, de modo que el volumen entre los pistones es constante. Este proceso es igual y contrario al 2 – 3. En este caso la temperatura del fluido de trabajo disminuye paulatinamente desde hasta , a medida que el regenerador absorbe calor.
Revisando la ecuación anterior de la eficiencia del motor de combustión externa, con una fuente caliente de 750°C (1023K) y una fuente fría de 20°C (293K), obtenemos una eficiencia ideal de 0.71 (71%). Las eficiencias ideales de los ciclos de Otto y Diésel son 60% y 63% respectivamente, para las mismas temperaturas.
CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO 
3.1 Hipótesis 
3.1.1 Hipótesis general 
La implementación del motor de vapor, en la actualidad es el indicado para obtener una mejora en la prevención de la contaminación ambiental, con una eficiencia en gran medida.
3.1.2 Hipótesis específicas
 La implementación de motores a vapor son adecuados contra la contaminación. 
 El motor de combustión externa es lo suficientemente adecuado para su utilización. 
 Las características del motor de combustión externa son idóneas para la regulación de los gases emitidos en las provincias y ciudades.
 3.2 Variables 
El establecimiento de un punto de operación determinado, manipulando las variables eléctricas, se ve favorecido por los recientes desarrollos tecnológicos tanto de la electrónica de potencia como de la capacidad de cálculo de los controladores. Esto, unido a la flexibilidad del enlace eléctrico, permite operar a cada elemento del sistema en regiones de trabajo imposibles de acceder cuando se emplea acoplamiento mecánico. En particular, los puntos de funcionamiento que aseguren el máximo rendimiento de conversión de energía. 
Se poseen las siguientes funciones y características: 
· Se genera vapor de agua en una caldera cerrada por calentamiento, lo cual 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 transforma en un movimiento de rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante de inercia.
·  El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida, que regulan la renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro.
La máquina de vapor ha sido el motor inicial de la Revolución Industrial que impulsa a la actualidad. En la máquina de vapor se basa la Primera Revolución Industrialque, desde fines del siglo XVIII en Inglaterra y hasta casi mediados del siglo XIX, aceleró portentosamente el desarrollo económico de muchos de los principales países de la Europa Occidental y de los Estados Unidos. 
El motor o máquina de vapor se utilizó extensamente durante la Revolución Industrial, en cuyo desarrollo tuvo un papel relevante para mover máquinas y aparatos tan diversos como bombas, locomotores, motores marinos, etc. Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no son ya de émbolo o desplazamiento positivo como las descriptas, sino que son turbo máquinas; es decir, son atravesadas por un flujo continuo de vapor y reciben la denominación genérica de turbinas de vapor. 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.
En este proyecto se propone una mayor difusión de este motor que permite:
· Un menor riesgo medioambiental en caso de fugas en el campo solar.
· Posibilidad de conseguir mayores eficiencias globales en la central al aumentar la temperatura del vapor sobrecalentado enviado al bloque de potencia.
· Menor coste de inversión.
3.3. Metodología 
3.3.1 Tipo de estudio 
La presente investigación a realizarse será de tipo formulativo.
3.3.2 Diseño 
FORMULATIVO Se considera así teniendo en cuenta que nuestro objetivo es la formulación de un problema para posibilitar una investigación más precisa o el desarrollo de nuestras hipótesis. 
3.4 Población y muestra
 3.4.1 Población
La población general que se utilizará para este proyecto son 1,084 millones de conductores en el departamento de Ancash.
 3.4.2 Muestra
La muestra que se sustrajo de la población general es un promedio de 
19, 134 conductores que transitan alrededor del distrito de Caraz.
 3.5 Método de investigación
· La implementacion de este motor se lograrà a través de la difusiòn de los diferentes beneficios que este brinda a la sociedad actual.
 El diseño del motor de combustión interna se tendrá que integrar como una alternativa más de transporte. 
 La parte física del motor de vapor se basara por un juego de pistones, intercambiadores de calor y el pase que se conectara a través del tubo de escape para los gases emitidos por los autos.
3.6 Técnicas e instrumentos de recolección de datos 
3.6.1 De recolección de datos 
Como fue descrito anteriormente en el diseño de investigación, la técnica que fue utilizada para la recolección de información es la formulación sobre los aspectos mencionados en los objetivos planteados en la extracción de la información acerca del motor de vapor y su aplicación en la industria.
3.6.2 De validez y confiabilidad de instrumentos 
Para la medición de las diferentes señales se ha utilizado diferentes instrumentos de medición, tales como: el multímetro, entre otros.
3.7 Métodos de análisis de datos 
	REVISION DE HOJA DE DATOS Mediante el cual se conocerá las especificaciones técnicas y de funcionamiento de los dispositivos utilizados en nuestro proyecto, para conocer los alcances y limitantes del motor de vapor.
CAPITULO IV: RESULTADOS 
4.1 Descripción 
4.1.1 Análisis e interpretación de datos
Para la implementacion del motor se optó por investigar más acerca de los procesos por los que este pasa para su utilización con todos los requerimientos posibles.
Se debe conseguir mayor información y recolección de datos acerca del motor de combustión externa para difundir su utilización en zonas rurales en las que una gran cantidad de población se beneficiara, es por esto que se realiza un prototipo para una mayor divulgación de este proyecto y del motor de vapor como una buena opción para su uso constante.
4.2 Contrastación de hipótesis 
Se confirma que la implementación del motor de vapor, en la actualidad es el indicado para obtener una mejora en la prevención de la contaminación ambiental, con una eficiencia en gran medida como se describe en la hipótesis general del proyecto.
Además, al investigar sobre los procesos por los que pasa se determina que el motor de combustión externa es lo suficientemente adecuado para su utilización y sus características son idóneas para la regulación de los gases emitidos en las provincias como se puntualiza en las hipótesis específicas.
CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS
 5.1 Conclusiones 
La contaminación producida por el funcionamiento del motor es mínima, porque al funcionar a combustión externa, ésta se puede controlar fácilmente haciendo que la combustión sea casi completa, disminuyendo las emisiones toxicas para el medio ambiente. 
El motor a vapor es seguro y tiene un nivel de ruido más bajo que los motores de combustión interna. 
Este motor podría utilizarse en zonas rurales, para la generación de energía eléctrica a pequeña escala, y la generación de energía mecánica (para el accionamiento de bombas, ventiladores, etc.), con bajos niveles de ruido.
5.2 Sugerencias 
Se recomienda que el motor tenga una zona de amortiguamiento, para mejorar su eficiencia mecánica. Lo ideal sería que la presión de amortiguamiento sea igual a la presión media del ciclo. 
Se recomienda que el pistón sea lo más liviano posible, para evitar que esto afecte la resistencia de sus partes.
REFERENCIAS BIBLIOGRÀFICAS
· Virgil Moring Fyres. Termodinámica; 6ª edición, 2011. 
· Pitts. D. Teoría y Problemas de Transferencia de Calor, Editorial Mcgraw Hill, 1ra Edición.
· Rolle, K, Termodinámica, Editorial Pearson, 6ta Edición. 
· Mills, A, Transferencia de Calor, Editorial Irwin, 1ra Edición. 
ANEXOS
 
¿Sabe usted los beneficios de usar un motor de vapor en la actualidad?
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SÍ	NO	21	28	
 ¿Invertiría usted en la adquisición de un motor de combustiòn externa?
Columna1	
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