El diseño de la máquina de vapor de Watt fue una invención de James Watt que se convirtió en sinónimo de las máquinas de vapor durante la Revolución Industrial , y pasaron muchos años antes de que diseños significativamente nuevos comenzaran a reemplazar el diseño básico de Watt.
Las primeras máquinas de vapor , introducidas por Thomas Newcomen en 1712, eran de diseño "atmosférico". Al final de la carrera de potencia , el peso del objeto movido por la máquina empujaba el pistón hacia la parte superior del cilindro mientras se introducía vapor. Luego, el cilindro se enfriaba con un rocío de agua, lo que hacía que el vapor se condensara, formando un vacío parcial en el cilindro. La presión atmosférica en la parte superior del pistón lo empujaba hacia abajo, levantando el objeto de trabajo. James Watt se dio cuenta de que se necesitaban cantidades significativas de calor para calentar el cilindro nuevamente hasta el punto en que el vapor pudiera ingresar al cilindro sin condensarse inmediatamente. Cuando el cilindro estaba lo suficientemente caliente como para llenarse de vapor, podía comenzar la siguiente carrera de potencia.
Watt se dio cuenta de que el calor necesario para calentar el cilindro se podía ahorrar añadiendo un cilindro condensador independiente. Una vez que el cilindro de potencia se llenaba de vapor, se abría una válvula hacia el cilindro secundario, lo que permitía que el vapor fluyera hacia él y se condensara, lo que extraía el vapor del cilindro principal y provocaba la carrera de potencia. El cilindro condensador se enfriaba con agua para que el vapor se condensara. Al final de la carrera de potencia, se cerraba la válvula para que el cilindro de potencia se pudiera llenar de vapor mientras el pistón se movía hacia la parte superior. El resultado era el mismo ciclo que el diseño de Newcomen, pero sin refrigeración del cilindro de potencia, que estaba inmediatamente listo para otra carrera.
Watt trabajó en el diseño durante varios años, introdujo el condensador y mejoró prácticamente cada parte del diseño. Cabe destacar que Watt realizó una larga serie de pruebas sobre formas de sellar el pistón en el cilindro, lo que redujo considerablemente las fugas durante la carrera de potencia, evitando la pérdida de potencia. Todos estos cambios dieron como resultado un diseño más confiable que utilizaba la mitad de carbón para producir la misma cantidad de energía. [1]
El nuevo diseño se introdujo comercialmente en 1776, y el primer ejemplar se vendió a la siderúrgica Carron Company . Watt continuó trabajando para mejorar el motor y en 1781 introdujo un sistema que utilizaba un engranaje planetario para convertir el movimiento lineal de los motores en movimiento rotatorio. Esto lo hizo útil no solo en la función original de bombeo, sino también como reemplazo directo en funciones en las que anteriormente se habría utilizado una rueda hidráulica . Este fue un momento clave en la revolución industrial, ya que las fuentes de energía ahora podían ubicarse en cualquier lugar en lugar de, como antes, necesitar una fuente de agua y una topografía adecuadas . El socio de Watt, Matthew Boulton, comenzó a desarrollar una multitud de máquinas que hacían uso de esta energía rotatoria, desarrollando la primera fábrica industrializada moderna, la Soho Foundry , que a su vez produjo nuevos diseños de motores de vapor. Los primeros motores de Watt eran como los diseños originales de Newcomen en que utilizaban vapor a baja presión y toda la energía se producía mediante presión atmosférica. Cuando, a principios del siglo XIX, otras empresas introdujeron motores de vapor de alta presión, Watt se mostró reacio a seguir su ejemplo debido a preocupaciones de seguridad. [2] Con el objetivo de mejorar el rendimiento de sus motores, Watt comenzó a considerar el uso de vapor a mayor presión, así como diseños que utilizaban cilindros múltiples tanto en el concepto de doble efecto como en el concepto de expansión múltiple. Estos motores de doble efecto requirieron la invención del movimiento paralelo , que permitía que las varillas de los pistones de los cilindros individuales se movieran en línea recta, manteniendo el pistón alineado en el cilindro, mientras que el extremo de la viga móvil se movía a través de un arco, algo análogo a una cruceta en los motores de vapor posteriores.
En 1698, el diseñador mecánico inglés Thomas Savery inventó un aparato de bombeo que utilizaba vapor para extraer agua directamente de un pozo mediante un vacío creado por la condensación del vapor. El aparato también se propuso para drenar minas , pero solo podía extraer líquido hasta aproximadamente 25 pies, lo que significa que tenía que estar ubicado a esta distancia del suelo de la mina que se estaba drenando. A medida que las minas se hicieron más profundas, esto a menudo se volvió poco práctico. También consumía una gran cantidad de combustible en comparación con los motores posteriores. [3]
La solución para drenar minas profundas fue encontrada por Thomas Newcomen, quien desarrolló un motor "atmosférico" que también funcionaba con el principio del vacío. Empleaba un cilindro que contenía un pistón móvil conectado por una cadena a un extremo de una viga oscilante que accionaba una bomba de elevación mecánica desde su extremo opuesto. En la parte inferior de cada carrera, se permitía que el vapor entrara en el cilindro por debajo del pistón. A medida que el pistón subía dentro del cilindro, atraído hacia arriba por un contrapeso, absorbía vapor a presión atmosférica. En la parte superior de la carrera, se cerraba la válvula de vapor y se inyectaba brevemente agua fría en el cilindro como medio para enfriar el vapor. Esta agua condensaba el vapor y creaba un vacío parcial debajo del pistón. La presión atmosférica fuera del motor era entonces mayor que la presión dentro del cilindro, empujando así el pistón hacia el interior del cilindro. El pistón, unido a una cadena y a su vez unido a un extremo de la "viga oscilante", tiraba hacia abajo del extremo de la viga, levantando el extremo opuesto de la misma. De este modo, se accionaba la bomba en las profundidades de la mina unida al extremo opuesto de la viga mediante cuerdas y cadenas. La bomba empujaba la columna de agua hacia arriba, en lugar de tirar de ella, por lo que podía elevarla a cualquier distancia. Una vez que el pistón llegaba al fondo, el ciclo se repetía. [3]
La máquina Newcomen era más potente que la Savery. Por primera vez se podía sacar agua de una profundidad de más de 300 pies. [4] El primer ejemplar, de 1712, pudo sustituir a un equipo de 500 caballos que se había utilizado para bombear el agua de la mina. Se instalaron setenta y cinco máquinas de bombeo Newcomen en minas de Gran Bretaña, Francia, Holanda, Suecia y Rusia. En los siguientes cincuenta años solo se realizaron unos pocos cambios pequeños en el diseño de la máquina.
Si bien los motores Newcomen aportaban ventajas prácticas, eran ineficientes en términos del uso de energía para accionarlos. El sistema de enviar alternativamente chorros de vapor y luego de agua fría al cilindro significaba que las paredes del cilindro se calentaban y luego se enfriaban alternativamente con cada carrera. Cada carga de vapor introducida continuaba condensándose hasta que el cilindro se acercaba nuevamente a la temperatura de trabajo. Por lo tanto, en cada carrera se perdía parte del potencial del vapor.
En 1763, James Watt trabajaba como fabricante de instrumentos en la Universidad de Glasgow cuando le asignaron la tarea de reparar un modelo de motor Newcomen y notó lo ineficiente que era. [5]
En 1765, Watt concibió la idea de equipar el motor con una cámara de condensación separada , a la que llamó "condensador" . Como el condensador y el cilindro de trabajo estaban separados, la condensación se producía sin una pérdida significativa de calor del cilindro. El condensador permanecía frío y por debajo de la presión atmosférica en todo momento, mientras que el cilindro permanecía caliente en todo momento.
El vapor se extraía de la caldera hasta el cilindro situado debajo del pistón . Cuando el pistón alcanzaba la parte superior del cilindro, la válvula de entrada de vapor se cerraba y la válvula que controlaba el paso hacia el condensador se abría. El condensador, al estar a menor presión, extraía el vapor del cilindro hacia el condensador, donde se enfriaba y se condensaba de vapor de agua a agua líquida, manteniendo un vacío parcial en el condensador que se comunicaba con el espacio del cilindro a través del paso de conexión. La presión atmosférica externa empujaba entonces el pistón hacia abajo del cilindro.
La separación del cilindro y el condensador eliminó la pérdida de calor que se producía cuando el vapor se condensaba en el cilindro de trabajo de un motor Newcomen. Esto le dio al motor Watt una mayor eficiencia que el motor Newcomen, reduciendo la cantidad de carbón consumido mientras realizaba la misma cantidad de trabajo que un motor Newcomen.
En el diseño de Watt, el agua fría se inyectaba únicamente en la cámara de condensación. Este tipo de condensador se conoce como condensador de chorro . El condensador está situado en un baño de agua fría debajo del cilindro. El volumen de agua que entraba en el condensador en forma de pulverización absorbía el calor latente del vapor y se determinó que era siete veces el volumen del vapor condensado. El condensado y el agua inyectada se eliminaban entonces mediante la bomba de aire, y el agua fría circundante servía para absorber la energía térmica restante para mantener una temperatura del condensador de 30 °C a 45 °C y una presión equivalente de 0,04 a 0,1 bar [6]
En cada carrera, el condensado caliente se extraía del condensador y se enviaba a un pozo caliente mediante una bomba de vacío, que también ayudaba a evacuar el vapor de debajo del cilindro de potencia. El condensado aún caliente se reciclaba como agua de alimentación para la caldera.
La siguiente mejora de Watt al diseño de Newcomen fue sellar la parte superior del cilindro y rodearlo con una camisa. El vapor pasaba a través de la camisa antes de ser admitido debajo del pistón, manteniendo el pistón y el cilindro calientes para evitar la condensación en su interior. La segunda mejora fue la utilización de la expansión del vapor contra el vacío en el otro lado del pistón. El suministro de vapor se cortaba durante la carrera y el vapor se expandía contra el vacío en el otro lado. Esto aumentaba la eficiencia del motor, pero también creaba un par variable en el eje que era indeseable para muchas aplicaciones, en particular el bombeo. Por lo tanto, Watt limitó la expansión a una relación de 1:2 (es decir, el suministro de vapor se cortaba a la mitad de la carrera). Esto aumentó la eficiencia teórica del 6,4% al 10,6%, con solo una pequeña variación en la presión del pistón. [6] Watt no utilizó vapor a alta presión por cuestiones de seguridad. [2] : 85
Estas mejoras dieron lugar a la versión completamente desarrollada de 1776, que finalmente entró en producción. [7]
El condensador independiente mostró un potencial espectacular para mejorar el motor Newcomen, pero Watt seguía desanimado por problemas aparentemente insuperables antes de que se pudiera perfeccionar un motor comercializable. Fue solo después de asociarse con Matthew Boulton que esto se hizo realidad. Watt le contó a Boulton sus ideas para mejorar el motor, y Boulton, un ávido empresario, aceptó financiar el desarrollo de un motor de prueba en Soho , cerca de Birmingham . Por fin Watt tuvo acceso a las instalaciones y a la experiencia práctica de los artesanos que pronto pudieron hacer funcionar el primer motor. Una vez completamente desarrollado, consumía aproximadamente un 75% menos de combustible que un motor Newcomen similar.
En 1775, Watt diseñó dos grandes motores: uno para la mina de carbón Bloomfield en Tipton , que se terminó en marzo de 1776, y otro para la fundición de John Wilkinson en Broseley , Shropshire , que estaba en funcionamiento el mes siguiente. Un tercer motor, en Stratford-le-Bow, en el este de Londres, también estaba en funcionamiento ese verano. [8]
Watt había intentado sin éxito durante varios años obtener un cilindro perforado con precisión para sus máquinas de vapor, y se vio obligado a utilizar hierro martillado, que no era redondo y causaba fugas más allá del pistón. Joseph Wickham Roe declaró en 1916: "Cuando [John] Smeaton vio la primera máquina, informó a la Sociedad de Ingenieros que 'no existían ni las herramientas ni los trabajadores que pudieran fabricar una máquina tan compleja con la precisión suficiente ' ". [9]
En 1774, John Wilkinson inventó una máquina perforadora en la que el eje que sostenía la herramienta de corte se apoyaba en ambos extremos y se extendía a través del cilindro, a diferencia de las perforadoras en voladizo que se utilizaban entonces. Boulton escribió en 1776 que "el Sr. Wilkinson nos ha perforado varios cilindros casi sin error; el de 50 pulgadas de diámetro, que hemos instalado en Tipton, no tiene el mismo grosor que un viejo chelín en ninguna parte". [9]
La práctica de Boulton y Watt era ayudar a los propietarios de minas y otros clientes a construir motores, proporcionándoles hombres para montarlos y algunas piezas especializadas. Sin embargo, su principal beneficio de su patente se derivaba del cobro de una tarifa de licencia a los propietarios de los motores, basada en el coste del combustible que ahorraban. La mayor eficiencia de combustible de sus motores significaba que eran más atractivos en áreas donde el combustible era caro, en particular Cornualles , para el que se encargaron tres motores en 1777, para las minas de Wheal Busy , Ting Tang y Chacewater . [10]
Los primeros motores Watt eran motores a presión atmosférica, como el motor Newcomen, pero con la condensación separada del cilindro. El hecho de que los motores funcionaran con vapor a baja presión y con vacío parcial planteó la posibilidad de desarrollar motores alternativos . [11] Una disposición de válvulas podría admitir alternativamente vapor a baja presión en el cilindro y luego conectarlo con el condensador. En consecuencia, la dirección de la carrera de potencia podría invertirse, lo que facilitaría la obtención de movimiento rotatorio. Los beneficios adicionales del motor de doble efecto fueron una mayor eficiencia, una mayor velocidad (mayor potencia) y un movimiento más regular.
Antes del desarrollo del pistón de doble efecto, la conexión entre la viga y el vástago del pistón se hacía mediante una cadena, lo que significaba que la potencia solo podía aplicarse en una dirección, tirando. Esto era eficaz en los motores que se utilizaban para bombear agua, pero la doble acción del pistón significaba que podía empujar y tirar. Esto no era posible mientras la viga y el vástago estuvieran conectados mediante una cadena. Además, no era posible conectar el vástago del pistón del cilindro sellado directamente a la viga, porque mientras que el vástago se movía verticalmente en línea recta, la viga giraba en su centro, con cada lado inscribiendo un arco. Para salvar las acciones conflictivas de la viga y el pistón, Watt desarrolló su movimiento paralelo . Este dispositivo utilizaba un varillaje de cuatro barras acoplado a un pantógrafo para producir el movimiento en línea recta requerido de forma mucho más económica que si hubiera utilizado un varillaje de tipo deslizante. Estaba muy orgulloso de su solución.
El hecho de que la viga estuviera conectada al eje del pistón por un medio que aplicaba fuerza alternativamente en ambas direcciones también significaba que era posible utilizar el movimiento de la viga para hacer girar una rueda. La solución más sencilla para transformar la acción de la viga en un movimiento giratorio era conectar la viga a una rueda mediante una manivela , pero como otra parte tenía derechos de patente sobre el uso de la manivela, Watt se vio obligado a idear otra solución. [13] Adoptó el sistema de engranajes planetarios y solares epicicloidales sugerido por un empleado, William Murdoch , y solo después volvió, una vez que expiraron los derechos de patente, al sistema de manivela más familiar que se ve en la mayoría de los motores actuales. [14] La rueda principal unida a la manivela era grande y pesada, y servía como volante de inercia que, una vez puesto en movimiento, por su impulso mantenía una potencia constante y suavizaba la acción de los golpes alternativos. A su eje central giratorio se podían unir correas y engranajes para accionar una gran variedad de maquinaria.
Como la maquinaria de las fábricas debía funcionar a una velocidad constante, Watt conectó una válvula reguladora de vapor a un regulador centrífugo que adaptó de los utilizados para controlar automáticamente la velocidad de los molinos de viento. [15] El centrífugo no era un verdadero controlador de velocidad porque no podía mantener una velocidad establecida en respuesta a un cambio en la carga. [16]
Estas mejoras permitieron que la máquina de vapor sustituyera a la rueda hidráulica y a los caballos como principales fuentes de energía de la industria británica, liberándola así de las limitaciones geográficas y convirtiéndose en uno de los principales impulsores de la Revolución Industrial .
Watt también se ocupó de la investigación fundamental sobre el funcionamiento de la máquina de vapor. Su dispositivo de medición más notable, todavía en uso hoy en día, es el indicador Watt que incorpora un manómetro para medir la presión del vapor dentro del cilindro según la posición del pistón, lo que permite realizar un diagrama que representa la presión del vapor en función de su volumen a lo largo del ciclo.
La máquina de Watt más antigua que se conserva es Old Bess , de 1777, que se encuentra actualmente en el Museo de la Ciencia de Londres . La máquina en funcionamiento más antigua del mundo es la máquina Smethwick , que entró en servicio en mayo de 1779 y que se encuentra actualmente en el Thinktank de Birmingham (antes en el ahora desaparecido Museo de la Ciencia y la Industria de Birmingham ). La más antigua que todavía se encuentra en su sala de máquinas original y que todavía puede realizar el trabajo para el que fue instalada es la máquina Boulton y Watt de 1812 que se encuentra en la estación de bombeo de Crofton en Wiltshire . Se utilizaba para bombear agua para el canal de Kennet y Avon ; algunos fines de semana durante el año, las bombas modernas se apagan y las dos máquinas de vapor de Crofton siguen realizando esta función. La máquina de vapor rotativa más antigua que se conserva, la máquina Whitbread (de 1785, la tercera máquina rotativa jamás construida), se encuentra en el Museo Powerhouse de Sídney, Australia. Un motor Boulton-Watt de 1788 se puede encontrar en el Museo de Ciencias de Londres , [17] mientras que un motor de soplado de 1817 , anteriormente utilizado en la fundición Netherton de MW Grazebrook, ahora decora Dartmouth Circus , una isleta de tráfico al comienzo de la autopista A38(M) en Birmingham.
El Museo Henry Ford de Dearborn (Michigan) alberga una réplica de un motor rotativo de Watt de 1788. Se trata de un modelo funcional a escala real de un motor Boulton-Watt. El industrial estadounidense Henry Ford encargó la réplica del motor al fabricante inglés Charles Summerfield en 1932. [18] El museo también conserva un motor de bomba atmosférica Boulton and Watt original, utilizado originalmente para bombear el canal de Birmingham, [19] ilustrado a continuación, y en uso in situ en la estación de bombeo de Bowyer Street, [20] [21] desde 1796 hasta 1854, y posteriormente trasladado a Dearborn en 1929.
Otro se conserva en la fábrica de Fumel, Francia.
En la década de 1880, Hathorn Davey and Co / Leeds produjo un motor atmosférico de 1 hp / 125 rpm con condensador externo pero sin expansión de vapor. Se ha argumentado que este fue probablemente el último motor atmosférico comercial que se fabricó. Como motor atmosférico, no tenía una caldera presurizada. Estaba destinado a pequeñas empresas. [22]
El motor de expansión de Watt se considera generalmente de interés histórico únicamente. Sin embargo, existen algunos avances recientes que pueden conducir a un renacimiento de la tecnología. En la actualidad, la industria genera una enorme cantidad de vapor residual y calor residual con temperaturas de entre 100 y 150 °C. Además, los colectores solares térmicos, las fuentes de energía geotérmica y los reactores de biomasa producen calor en este rango de temperaturas. Existen tecnologías para aprovechar esta energía, en particular el ciclo orgánico de Rankine . En principio, se trata de turbinas de vapor que no utilizan agua, sino un fluido (un refrigerante) que se evapora a temperaturas inferiores a 100 °C. Sin embargo, estos sistemas son bastante complejos. Trabajan con presiones de entre 6 y 20 bares, por lo que todo el sistema debe estar completamente sellado.
El motor de expansión puede ofrecer ventajas significativas en este sentido, en particular para potencias inferiores de 2 a 100 kW: con relaciones de expansión de 1:5, la eficiencia teórica alcanza el 15%, que se encuentra en el rango de los sistemas ORC. El motor de expansión utiliza agua como fluido de trabajo, que es simple, barato, no tóxico, no inflamable y no corrosivo. Funciona a presiones cercanas o inferiores a la atmosférica, por lo que el sellado no es un problema. Y es una máquina sencilla, lo que implica una buena relación coste-beneficio. Los investigadores de la Universidad de Southampton (Reino Unido) están desarrollando actualmente una versión moderna del motor de Watt para generar energía a partir de vapor y calor residuales. Mejoraron la teoría y demostraron que son posibles eficiencias teóricas de hasta el 17,4% (y eficiencias reales del 11%). [23]
Para demostrar el principio, se construyó y probó un modelo experimental de motor de 25 vatios. El motor incorpora expansión de vapor, así como nuevas características como el control electrónico. La imagen muestra el modelo construido y probado en 2016. [24] Actualmente, se está preparando un proyecto para construir y probar un motor de 2 kW a mayor escala. [25]
Medios relacionados con las máquinas de vapor de Watt en Wikimedia Commons
