[1] La primera máquina de vapor rudimentaria registrada fue la eolípila mencionada por Vitruvio entre el 30 y el 15 a. C. y descrita por Herón de Alejandría en el Egipto romano del siglo I. [ 2] Posteriormente se experimentaron o propusieron varios dispositivos propulsados por vapor, como el gato de vapor de Taqi al-Din , una turbina de vapor en el Egipto otomano del siglo XVI , el modelo funcional del digestor de vapor de Denis Papin en 1679 y la bomba de vapor de Thomas Savery en la Inglaterra del siglo XVII. En 1712, la máquina atmosférica de Thomas Newcomen se convirtió en la primera máquina comercialmente exitosa que utilizaba el principio del pistón y el cilindro, que fue el tipo fundamental de máquina de vapor utilizada hasta principios del siglo XX. La máquina de vapor se utilizó para bombear agua de las minas de carbón.
Durante la Revolución Industrial , las máquinas de vapor comenzaron a reemplazar a la energía hidráulica y eólica, y finalmente se convirtieron en la fuente dominante de energía a fines del siglo XIX y se mantuvieron así hasta las primeras décadas del siglo XX, cuando la turbina de vapor más eficiente y el motor de combustión interna resultaron en el rápido reemplazo de las máquinas de vapor. La turbina de vapor se ha convertido en el método más común por el cual se impulsan los generadores de energía eléctrica. [3] Se están realizando investigaciones sobre los aspectos prácticos de revivir la máquina de vapor alternativa como base para la nueva ola de tecnología de vapor avanzada .
El primero en utilizar el vapor como forma de transformar el calor en movimiento fue Arquitas , quien impulsó un pájaro de madera a lo largo de cables utilizando vapor como propulsor alrededor del 400 a. C. [4] [5] [6] [7] La máquina de vapor rudimentaria y turbina de vapor de reacción más antigua conocida , la eolípila , está descrita por un matemático e ingeniero llamado Herón de Alejandría en el Egipto romano del siglo I , como se registra en su manuscrito Spiritalia seu Pneumatica . [8] [9]
El mismo dispositivo también fue mencionado por Vitruvio en De Architectura unos 100 años antes. El vapor expulsado tangencialmente desde boquillas hacía que una bola pivotante girara. Esto sugiere que la conversión de la presión del vapor en movimiento mecánico era conocida en el Egipto romano en el siglo I, sin embargo, su eficiencia térmica era baja. Heron también ideó una máquina que usaba aire calentado en el fuego de un altar para desplazar una cantidad de agua de un recipiente cerrado. El peso del agua se usaba para tirar de una cuerda oculta para operar las puertas del templo. [9] [10] Algunos historiadores han combinado las dos invenciones para afirmar, incorrectamente, que la eolípila era capaz de realizar un trabajo útil. [ cita requerida ]
Según Guillermo de Malmesbury , en 1125, Reims albergaba una iglesia que tenía un órgano alimentado por aire que escapaba de la compresión "por agua calentada", aparentemente diseñado y construido por el profesor Gerbertus. [9] [11]
Entre los documentos de Leonardo da Vinci que datan de finales del siglo XV se encuentra el diseño de un cañón impulsado por vapor llamado Architonnerre , que funciona mediante la entrada repentina de agua caliente en un cañón sellado y al rojo vivo. [12]
Una turbina de vapor de impacto rudimentaria fue descrita en 1551 por Taqi al-Din , un filósofo , astrónomo e ingeniero del Egipto otomano del siglo XVI , quien describió un método para hacer girar un asador por medio de un chorro de vapor que jugaba sobre paletas rotatorias alrededor de la periferia de una rueda. Un dispositivo similar para hacer girar un asador también fue descrito más tarde por John Wilkins en 1648. [13] Estos dispositivos entonces se llamaban "molinos", pero ahora se conocen como gatos de vapor . Otra turbina de vapor rudimentaria similar es mostrada por Giovanni Branca , un ingeniero italiano, en 1629 para hacer girar un dispositivo de escape cilíndrico que alternativamente levantaba y dejaba caer un par de manos de mortero que trabajaban en morteros. [14] El flujo de vapor de estas primeras turbinas de vapor, sin embargo, no estaba concentrado y la mayor parte de su energía se disipaba en todas direcciones. Esto habría llevado a un gran desperdicio de energía y por eso nunca se consideraron seriamente para uso industrial.
En 1605, el matemático francés David Rivault de Fleurance, en su tratado sobre artillería, escribió sobre su descubrimiento de que si se confinaba agua en una bomba y se calentaba, haría explotar los proyectiles. [15]
En 1606, el español Jerónimo de Ayanz y Beaumont demostró y obtuvo una patente para una bomba de agua impulsada por vapor. La bomba se utilizó con éxito para drenar las minas inundadas de Guadalcanal, España . [16]
En 1679, el físico francés Denis Papin inventó el digestor de vapor (olla a presión) que se utilizaba para extraer grasas de los huesos en un entorno de alta presión y luego también crear harina de huesos .
"Los descubrimientos que, reunidos por Thomas Newcomen en 1712, dieron lugar a la máquina de vapor fueron:" [17]
A finales del siglo XV, el erudito, ingeniero, pintor y arquitecto italiano Leonardo da Vinci escribió artículos que describían el Architonnerre , un cañón propulsado por vapor que utilizaba entornos de alta presión para lanzar proyectiles grandes y pesados con una fuerza increíble. El diseño de Da Vinci se parecía al cañón original con un tubo cilíndrico largo en un extremo que se usaba para apuntar el proyectil correctamente y el otro extremo una cámara grande que se usaba para calentar agua hasta convertirla en vapor y cuando estaba listo para disparar, se colocaba una pequeña tapa firmemente en un orificio en la parte superior del cañón, lo que provocaba una rápida acumulación de vapor y creaba un entorno de muy alta presión e impulsaba el proyectil con una fuerza inmensa hacia el objetivo. El Architonnerre fue diseñado para disparar un proyectil que pesaba un talento romano. Muchos de los principios empleados por Da Vinci para el Architonnerre se utilizaron más tarde en el desarrollo de la máquina de vapor.
En 1643, Evangelista Torricelli realizó experimentos con bombas de agua de succión para probar sus límites, que eran de aproximadamente 32 pies. (La presión atmosférica es de 32,9 pies o 10,03 metros. La presión de vapor del agua reduce la altura de elevación teórica). Ideó un experimento utilizando un tubo lleno de mercurio e invertido en un recipiente de mercurio (un barómetro ) y observó un espacio vacío sobre la columna de mercurio, que teorizó que no contenía nada, es decir, un vacío. [18]
Influenciado por Torricelli, Otto von Guericke inventó una bomba de vacío modificando una bomba de aire utilizada para presurizar una pistola de aire . Guericke realizó una demostración en 1654 en Magdeburgo, Alemania, donde era alcalde. Se unieron dos hemisferios de cobre y se bombeó aire hacia afuera. Los pesos atados a los hemisferios no pudieron separarlos hasta que se abrió la válvula de aire. El experimento se repitió en 1656 utilizando dos equipos de 8 caballos cada uno, que no pudieron separar los hemisferios de Magdeburgo . [18]
Gaspar Schott fue el primero en describir el experimento del hemisferio en su Mechanica Hydraulico-Pneumatica (1657). [18]
Después de leer el libro de Schott, Robert Boyle construyó una bomba de vacío mejorada y realizó experimentos relacionados. [18]
Denis Papin se interesó en el uso del vacío para generar fuerza motriz mientras trabajaba con Christiaan Huygens y Gottfried Leibniz en París en 1663. Papin trabajó para Robert Boyle de 1676 a 1679, publicó un relato de su trabajo en Continuation of New Experiments (1680) y realizó una presentación en la Royal Society en 1689. A partir de 1690, Papin comenzó a experimentar con un pistón para producir energía con vapor, construyendo modelos de máquinas de vapor. Experimentó con máquinas de vapor atmosféricas y de presión, y publicó sus resultados en 1707. [18]
En 1663, Edward Somerset, segundo marqués de Worcester, publicó un libro de 100 inventos que describía un método para elevar el agua entre los pisos empleando un principio similar al de una cafetera de percolador . Su sistema fue el primero en separar la caldera (un cañón calentado) de la acción de bombeo. El agua se introducía en un barril reforzado desde una cisterna y luego se abría una válvula para admitir vapor de una caldera separada. La presión se acumulaba en la parte superior del agua, impulsándola hacia arriba por una tubería. [19] Instaló su dispositivo impulsado por vapor en la pared de la Gran Torre del Castillo de Raglan para suministrar agua a través de la torre. Las ranuras en la pared donde estaba instalado el motor todavía se podían ver en el siglo XIX. Sin embargo, nadie estaba dispuesto a arriesgar dinero por un concepto tan revolucionario y, sin patrocinadores, la máquina permaneció sin desarrollar. [18] [20]
Samuel Morland , un matemático e inventor que trabajaba en bombas, dejó notas en la Oficina de Ordenanzas de Vauxhall sobre un diseño de bomba de vapor que leyó Thomas Savery . En 1698, Savery construyó una bomba de vapor llamada "The Miner's Friend". Utilizaba tanto vacío como presión. Estas se utilizaron para servicios de baja potencia durante varios años. [18]
Thomas Newcomen era un comerciante que comerciaba con productos de hierro fundido. El motor de Newcomen se basaba en el diseño de pistón y cilindro propuesto por Papin. En el motor de Newcomen, el vapor se condensaba mediante la pulverización de agua en el interior del cilindro, lo que hacía que la presión atmosférica moviera el pistón. El primer motor de Newcomen se instaló para bombear en una mina en 1712 en el castillo de Dudley, en Staffordshire. [18]
Denis Papin (22 de agosto de 1647 - c. 1712 ) fue un físico, matemático e inventor francés, más conocido por su invención pionera del digestor de vapor , el precursor de la olla a presión. A mediados de la década de 1670, Papin colaboró con el físico holandés Christiaan Huygens en un motor que expulsaba el aire de un cilindro haciendo explotar la pólvora en su interior. Al darse cuenta de lo incompleto del vacío producido por este medio y al mudarse a Inglaterra en 1680, Papin ideó una versión del mismo cilindro que obtenía un vacío más completo a partir de agua hirviendo y luego permitiendo que el vapor se condensara; de esta manera, pudo levantar pesas uniendo el extremo del pistón a una cuerda que pasaba por una polea. Como modelo de demostración, el sistema funcionó, pero para repetir el proceso, todo el aparato tuvo que ser desmontado y vuelto a montar. Papin se dio cuenta rápidamente de que para crear un ciclo automático, el vapor tendría que generarse por separado en una caldera; sin embargo, no llevó el proyecto más allá. Papin también diseñó un barco de remos impulsado por un chorro que giraba sobre una rueda de molino, combinando las concepciones de Taqi al Din y Savery, y también se le atribuyen varios dispositivos importantes, como la válvula de seguridad . Los años de investigación de Papin sobre los problemas del aprovechamiento del vapor desempeñaron un papel clave en el desarrollo de los primeros motores industriales exitosos que se produjeron poco después de su muerte.
La primera máquina de vapor que se aplicó industrialmente fue la "máquina de bomberos" o "Amiga del minero", diseñada por Thomas Savery en 1698. Se trataba de una bomba de vapor sin pistón, similar a la desarrollada por Worcester. Savery realizó dos contribuciones clave que mejoraron enormemente la practicidad del diseño. En primer lugar, para permitir que el suministro de agua se colocara debajo de la máquina, utilizó vapor condensado para producir un vacío parcial en el depósito de bombeo (el barril en el ejemplo de Worcester) y lo utilizó para hacer subir el agua. En segundo lugar, para enfriar rápidamente el vapor para producir el vacío, hizo pasar agua fría sobre el depósito.
Para su funcionamiento se necesitaban varias válvulas; al comienzo de un ciclo, cuando el depósito estaba vacío, se abría una válvula para admitir vapor. Esta válvula se cerraba para sellar el depósito y se abría la válvula de agua de refrigeración para condensar el vapor y crear un vacío parcial. A continuación, se abría una válvula de suministro, que succionaba agua hacia arriba hasta el depósito; el motor típico podía extraer agua hasta 20 pies. [21] A continuación, se cerraba y se volvía a abrir la válvula de vapor, lo que generaba presión sobre el agua y la bombeaba hacia arriba, como en el diseño de Worcester. Este ciclo esencialmente duplicaba la distancia a la que se podía bombear agua para cualquier presión de vapor dada, y los ejemplos de producción elevaban el agua unos 40 pies. [21]
El motor de Savery resolvió un problema que recientemente se había vuelto serio: extraer agua de las minas del sur de Inglaterra a medida que alcanzaban mayores profundidades. El motor de Savery era algo menos eficiente que el de Newcomen, pero esto se compensaba con el hecho de que la bomba separada que utilizaba el motor de Newcomen era ineficiente, lo que le daba a los dos motores aproximadamente la misma eficiencia de 6 millones de libras-pie por fanega de carbón (menos del 1%). [22] El motor de Savery tampoco era muy seguro porque parte de su ciclo requería vapor bajo presión suministrado por una caldera y, dada la tecnología de la época, el recipiente a presión no podía hacerse lo suficientemente fuerte y, por lo tanto, era propenso a explotar. [23] La explosión de una de sus bombas en Broad Waters (cerca de Wednesbury ), alrededor de 1705, probablemente marca el final de los intentos de explotar su invento. [24]
El motor de Savery era menos costoso que el de Newcomen y se producía en tamaños más pequeños. [25] Algunos constructores fabricaron versiones mejoradas del motor de Savery hasta finales del siglo XVIII. [22] Bento de Moura Portugal , FRS , introdujo una ingeniosa mejora de la construcción de Savery "para hacerla capaz de funcionar por sí sola", como lo describe John Smeaton en Philosophical Transactions publicada en 1751. [26]
Se puede decir que fue Thomas Newcomen, con su « máquina atmosférica » de 1712, quien reunió la mayoría de los elementos esenciales establecidos por Papin para desarrollar la primera máquina de vapor práctica que podía tener demanda comercial. Esta tomó la forma de una máquina de viga alternativa instalada a nivel de la superficie que accionaba una sucesión de bombas en un extremo de la viga. La máquina, unida por cadenas desde el otro extremo de la viga, funcionaba según el principio atmosférico o de vacío. [28]
El diseño de Newcomen utilizó algunos elementos de conceptos anteriores. Al igual que el diseño de Savery, el motor de Newcomen utilizaba vapor, enfriado con agua, para crear un vacío. Sin embargo, a diferencia de la bomba de Savery, Newcomen utilizó el vacío para tirar de un pistón en lugar de tirar del agua directamente. El extremo superior del cilindro estaba abierto a la presión atmosférica y, cuando se formaba el vacío, la presión atmosférica sobre el pistón lo empujaba hacia abajo dentro del cilindro. El pistón estaba lubricado y sellado por un hilo de agua proveniente de la misma cisterna que suministraba el agua de refrigeración. Además, para mejorar el efecto de refrigeración, roció agua directamente dentro del cilindro.
El pistón estaba unido mediante una cadena a una gran viga articulada. Cuando el pistón tiraba de la viga, el otro lado de la viga se elevaba. Este extremo estaba unido a una varilla que tiraba de una serie de manijas de bombas convencionales en la mina. Al final de esta carrera de potencia, la válvula de vapor se volvía a abrir y el peso de las varillas de la bomba tiraba de la viga hacia abajo, levantando el pistón y haciendo entrar vapor nuevamente en el cilindro.
El uso del pistón y la viga permitió que la máquina Newcomen impulsara bombas en diferentes niveles a lo largo de la mina, además de eliminar la necesidad de vapor a alta presión. Todo el sistema estaba aislado en un solo edificio en la superficie. Aunque ineficientes y extremadamente pesados en carbón (en comparación con las máquinas posteriores), estas máquinas extraían volúmenes de agua mucho mayores y desde mayores profundidades de lo que había sido posible anteriormente. [23] Más de 100 máquinas Newcomen se instalaron en toda Inglaterra en 1735, y se estima que hasta 2000 estaban en funcionamiento en 1800 (incluidas las versiones Watt).
John Smeaton realizó numerosas mejoras en la máquina Newcomen, en particular en los sellos, y al mejorarlos logró casi triplicar su eficiencia. También prefirió usar ruedas en lugar de vigas para transferir la potencia desde el cilindro, lo que hizo que sus máquinas fueran más compactas. Smeaton fue el primero en desarrollar una teoría rigurosa del diseño de la operación de la máquina de vapor. Trabajó hacia atrás a partir de la función prevista para calcular la cantidad de potencia que se necesitaría para la tarea, el tamaño y la velocidad del cilindro que la proporcionaría, el tamaño de la caldera necesaria para alimentarla y la cantidad de combustible que consumiría. Estos se desarrollaron empíricamente después de estudiar docenas de máquinas Newcomen en Cornualles y Newcastle, y construir una máquina experimental propia en su casa en Austhorpe en 1770. Cuando se introdujo la máquina Watt solo unos años después, Smeaton había construido docenas de motores cada vez más grandes en el rango de los 100 hp. [29]
Mientras trabajaba en la Universidad de Glasgow como fabricante y reparador de instrumentos en 1759, James Watt conoció el poder del vapor gracias al profesor John Robison . Fascinado, Watt se dedicó a leer todo lo que pudo sobre el tema y desarrolló de forma independiente el concepto de calor latente , publicado recientemente por Joseph Black en la misma universidad. Cuando Watt se enteró de que la universidad poseía un pequeño modelo funcional de una máquina Newcomen, presionó para que se lo devolvieran desde Londres, donde lo estaban reparando sin éxito. Watt reparó la máquina, pero descubrió que apenas funcionaba incluso cuando estaba completamente reparada.
Después de trabajar con el diseño, Watt concluyó que el 80% del vapor que utilizaba el motor se desperdiciaba. En lugar de proporcionar fuerza motriz, se utilizaba para calentar el cilindro. En el diseño de Newcomen, cada carrera de potencia se iniciaba con un chorro de agua fría, que no solo condensaba el vapor, sino que también enfriaba las paredes del cilindro. Este calor tenía que ser reemplazado antes de que el cilindro aceptara vapor nuevamente. En el motor de Newcomen, el calor era proporcionado únicamente por el vapor, por lo que cuando se abría nuevamente la válvula de vapor, una gran proporción se condensaba en las paredes frías tan pronto como ingresaba al cilindro. Se necesitaba una cantidad considerable de tiempo y vapor antes de que el cilindro se calentara nuevamente y el vapor comenzara a llenarlo.
Watt resolvió el problema del rocío de agua sacando el agua fría a un cilindro diferente, colocado al lado del cilindro de potencia. Una vez que se completaba la carrera de inducción, se abría una válvula entre los dos y cualquier vapor que entrara en el cilindro se condensaba dentro de este cilindro frío. Esto creaba un vacío que atraía más vapor hacia el cilindro, y así sucesivamente hasta que el vapor se condensaba casi por completo. Luego se cerraba la válvula y el cilindro principal continuaba funcionando como lo haría en un motor Newcomen convencional. Como el cilindro de potencia se mantenía a temperatura operativa durante todo el tiempo, el sistema estaba listo para otra carrera tan pronto como el pistón se empujaba hacia la parte superior. Para mantener la temperatura había una camisa alrededor del cilindro por donde se admitía el vapor. Watt produjo un modelo funcional en 1765.
Convencido de que se trataba de un gran avance, Watt se asoció con otras empresas para que le proporcionaran capital de riesgo mientras trabajaba en el diseño. No contento con esta única mejora, Watt trabajó incansablemente en una serie de otras mejoras en prácticamente todas las partes del motor. Watt mejoró aún más el sistema añadiendo una pequeña bomba de vacío para extraer el vapor del cilindro hacia el condensador, mejorando aún más los tiempos de ciclo. Un cambio más radical con respecto al diseño de Newcomen fue cerrar la parte superior del cilindro e introducir vapor a baja presión por encima del pistón. Ahora la potencia no se debía a la diferencia entre la presión atmosférica y el vacío, sino a la presión del vapor y el vacío, un valor algo más alto. En la carrera de retorno ascendente, el vapor de la parte superior se transfería a través de un tubo a la parte inferior del pistón, listo para condensarse para la carrera descendente. El sellado del pistón en un motor Newcomen se había logrado manteniendo una pequeña cantidad de agua en su lado superior. Esto ya no era posible en el motor de Watt debido a la presencia del vapor. Watt dedicó un esfuerzo considerable a encontrar un sello que funcionara, que finalmente se obtuvo utilizando una mezcla de sebo y aceite. El vástago del pistón también pasaba a través de un casquillo en la tapa superior del cilindro, sellado de manera similar. [30]
El problema del sellado del pistón se debía a que no había forma de producir un cilindro lo suficientemente redondo. Watt intentó hacer cilindros de hierro fundido, pero estaban demasiado descentrados. Watt se vio obligado a utilizar un cilindro de hierro martillado. [31] La siguiente cita es de Roe (1916):
"Cuando [John] Smeaton vio por primera vez el motor, informó a la Sociedad de Ingenieros que 'no existían ni las herramientas ni los trabajadores que pudieran fabricar una máquina tan compleja con suficiente precisión' " [31]
Watt finalmente consideró que el diseño era lo suficientemente bueno como para lanzarlo al mercado en 1774, y el motor Watt salió al mercado. Como partes del diseño se podían adaptar fácilmente a los motores Newcomen existentes, no hubo necesidad de construir un motor completamente nuevo en las minas. En lugar de eso, Watt y su socio comercial Matthew Boulton otorgaron licencias de las mejoras a los operadores de los motores, cobrándoles una parte del dinero que ahorrarían en costos de combustible reducidos. El diseño tuvo un gran éxito y se formó la empresa Boulton and Watt para otorgar licencias del diseño y ayudar a los nuevos fabricantes a construir los motores. Más tarde, los dos abrirían la fundición Soho para producir sus propios motores.
En 1774, John Wilkinson inventó una máquina perforadora con el eje que sujetaba la herramienta de perforación apoyado en ambos extremos, extendiéndose a través del cilindro, a diferencia de las perforadoras en voladizo que se utilizaban en ese momento. Con esta máquina pudo perforar con éxito el cilindro del primer motor comercial de Boulton y Watt en 1776. [31]
Watt nunca dejó de mejorar sus diseños. Esto mejoró aún más la velocidad del ciclo operativo, introdujo reguladores, válvulas automáticas, pistones de doble efecto, una variedad de tomas de fuerza rotativas y muchas otras mejoras. La tecnología de Watt permitió el uso comercial generalizado de las máquinas de vapor estacionarias. [32]
En la década de 1760, Humphrey Gainsborough produjo un modelo de máquina de vapor de condensación que mostró a Richard Lovell Edgeworth , miembro de la Sociedad Lunar . Gainsborough creía que Watt había utilizado sus ideas para la invención; [33] sin embargo, James Watt no era miembro de la Sociedad Lunar en ese período y sus numerosos relatos que explicaban la sucesión de procesos de pensamiento que condujeron al diseño final tenderían a desmentir esta historia.
La potencia seguía estando limitada por la baja presión, el desplazamiento del cilindro, las tasas de combustión y evaporación y la capacidad del condensador. La máxima eficiencia teórica estaba limitada por la relativamente baja diferencia de temperatura a ambos lados del pistón; esto significaba que para que un motor Watt proporcionara una cantidad de potencia utilizable, los primeros motores de producción tenían que ser muy grandes y, por lo tanto, costosos de construir e instalar.
Watt desarrolló un motor de doble efecto en el que el vapor impulsaba el pistón en ambas direcciones, aumentando así la velocidad y la eficiencia del motor. El principio de doble efecto también aumentó significativamente la potencia de un motor de tamaño físico determinado. [34] [35]
Boulton & Watt desarrolló el motor alternativo en el tipo rotativo . A diferencia del motor Newcomen, el motor Watt podía funcionar con la suficiente suavidad como para estar conectado a un eje de transmisión (a través de engranajes planetarios y solares ) para proporcionar potencia rotatoria junto con cilindros condensadores de doble efecto. El primer ejemplo se construyó como demostrador y se instaló en la fábrica de Boulton para hacer funcionar máquinas para lapear (pulir) botones o similares. Por esta razón, siempre se lo conoció como el motor de vuelta . [36] [37] En los primeros motores de vapor, el pistón generalmente está conectado por una varilla a una viga equilibrada, en lugar de directamente a un volante, y por lo tanto, estos motores se conocen como motores de viga .
Las primeras máquinas de vapor no proporcionaban una velocidad constante suficiente para operaciones críticas como el hilado de algodón. Para controlar la velocidad, la máquina se utilizaba para bombear agua para una rueda hidráulica, que impulsaba la maquinaria. [38] [39]
A medida que avanzaba el siglo XVIII, se pedían presiones más altas, pero Watt se opuso firmemente a ello y utilizó el monopolio que le otorgaba su patente para impedir que otros construyeran motores de alta presión y los utilizaran en vehículos. Desconfiaba de la tecnología de calderas de la época, de la forma en que se construían y de la resistencia de los materiales utilizados.
Las ventajas importantes de los motores de alta presión eran:
Las desventajas fueron:
La principal diferencia entre el funcionamiento de las máquinas de vapor de alta y baja presión es la fuente de la fuerza que mueve el pistón. En las máquinas de Newcomen y Watt, es la condensación del vapor la que crea la mayor parte de la diferencia de presión, lo que hace que la presión atmosférica (Newcomen) y el vapor de baja presión, rara vez más de 7 psi de presión de la caldera, [40] más el vacío del condensador [41] (Watt), muevan el pistón. En una máquina de alta presión, la mayor parte de la diferencia de presión la proporciona el vapor de alta presión de la caldera; el lado de baja presión del pistón puede estar a presión atmosférica o conectado a la presión del condensador. El diagrama indicador de Newcomen , casi todo por debajo de la línea atmosférica, vería un renacimiento casi 200 años después con el cilindro de baja presión de las máquinas de triple expansión contribuyendo aproximadamente con el 20% de la potencia de la máquina, nuevamente casi completamente por debajo de la línea atmosférica. [42]
El primer defensor conocido del "vapor fuerte" fue Jacob Leupold en su esquema de una máquina que apareció en obras enciclopédicas de alrededor de 1725. A lo largo del siglo también aparecieron varios proyectos de barcos y vehículos propulsados por vapor, uno de los más prometedores fue la construcción de Nicolas-Joseph Cugnot , quien presentó su "fardier" (vagón de vapor) en 1769. Si bien se desconoce la presión de trabajo utilizada para este vehículo, el pequeño tamaño de la caldera no proporcionaba una tasa de producción de vapor suficiente para permitir que el fardier avanzara más de unos pocos cientos de metros a la vez antes de tener que detenerse para generar vapor. Se propusieron otros proyectos y modelos, pero, como sucedió con el modelo de William Murdoch de 1784, muchos fueron bloqueados por Boulton y Watt.
En Estados Unidos no se daba este caso y en 1788 un barco de vapor construido por John Fitch operaba en servicio comercial regular a lo largo del río Delaware entre Filadelfia (Pensilvania) y Burlington (Nueva Jersey), con capacidad para 30 pasajeros. Este barco podía alcanzar una velocidad de 11 a 12 km/h y recorría más de 3200 km durante su breve período de servicio. El barco de vapor Fitch no tuvo éxito comercial, ya que esta ruta estaba cubierta adecuadamente por caminos para carretas relativamente buenos. En 1802, William Symington construyó un barco de vapor práctico y, en 1807, Robert Fulton utilizó una máquina de vapor Watt para impulsar el primer barco de vapor comercialmente exitoso . [ cita requerida ]
Oliver Evans, por su parte, estaba a favor del "vapor fuerte", que aplicó a los motores de los barcos y a los usos estacionarios. Fue un pionero de las calderas cilíndricas; sin embargo, las calderas de Evans sufrieron varias explosiones graves, lo que tendió a dar peso a las dudas de Watt. Fundó la Pittsburgh Steam Engine Company en 1811 en Pittsburgh , Pensilvania. [43] La compañía introdujo las máquinas de vapor de alta presión en el comercio fluvial en la cuenca del Mississippi .
La primera máquina de vapor de alta presión fue inventada en 1800 por Richard Trevithick . [44]
La importancia de generar vapor bajo presión (desde un punto de vista termodinámico ) es que alcanza una temperatura más alta. Por lo tanto, cualquier motor que utilice vapor a alta presión opera a una temperatura y una diferencia de presión más altas que las que son posibles con un motor de vacío a baja presión. El motor de alta presión se convirtió así en la base de la mayor parte del desarrollo posterior de la tecnología de vapor alternativo. Aun así, alrededor del año 1800, la "alta presión" equivalía a lo que hoy se consideraría una presión muy baja, es decir, 40-50 psi (276-345 kPa), la cuestión era que el motor de alta presión en cuestión no condensaba, era impulsado únicamente por la potencia expansiva del vapor, y una vez que el vapor había realizado un trabajo, generalmente se agotaba a una presión superior a la atmosférica. La ráfaga del vapor que se agotaba en la chimenea podía aprovecharse para crear una corriente de aire inducida a través de la rejilla del fuego y, por lo tanto, aumentar la velocidad de combustión, creando así más calor en un horno más pequeño, a expensas de crear una contrapresión en el lado de escape del pistón.
El 21 de febrero de 1804, en la fundición de Penydarren en Merthyr Tydfil , en el sur de Gales, se demostró la primera máquina de vapor o locomotora de vapor ferroviaria autopropulsada, construida por Richard Trevithick . [45]
Alrededor de 1811, Richard Trevithick tuvo que actualizar una máquina de bombeo de Watt para adaptarla a una de sus nuevas calderas cilíndricas de gran tamaño de Cornualles . Cuando Trevithick partió hacia Sudamérica en 1816, William Sims continuó con sus mejoras. En paralelo, Arthur Woolf desarrolló una máquina compuesta con dos cilindros, de modo que el vapor se expandiera en un cilindro de alta presión antes de ser liberado en uno de baja presión. Samuel Groase mejoró aún más la eficiencia, aislando la caldera, la máquina y las tuberías. [46]
La presión del vapor sobre el pistón se incrementó hasta alcanzar 40 psi (0,28 MPa ) o incluso 50 psi (0,34 MPa ) y ahora proporcionaba gran parte de la potencia para el recorrido descendente; al mismo tiempo, se mejoró la condensación. Esto aumentó considerablemente la eficiencia y se siguieron construyendo nuevos motores de bombeo en el sistema de Cornualles (a menudo conocidos como motores de Cornualles ) a lo largo del siglo XIX. Los motores Watt más antiguos se actualizaron para adaptarse.
La adopción de estas mejoras de Cornualles fue lenta en las zonas de fabricación textil donde el carbón era barato, debido al mayor coste de capital de los motores y al mayor desgaste que sufrían. El cambio recién comenzó en la década de 1830, generalmente mediante la adición de otro cilindro (de alta presión). [47]
Otra limitación de las primeras máquinas de vapor era la variabilidad de la velocidad, lo que las hacía inadecuadas para muchas aplicaciones textiles, especialmente la hilatura. Para obtener velocidades constantes, las primeras fábricas textiles impulsadas por vapor utilizaban la máquina de vapor para bombear agua a una rueda hidráulica, que accionaba la maquinaria. [48]
Muchas de estas máquinas se suministraron en todo el mundo y prestaron un servicio fiable y eficiente durante muchos años con un consumo de carbón muy reducido. Algunas de ellas eran muy grandes y el modelo se siguió fabricando hasta la década de 1890.
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La máquina de vapor Corliss (patentada en 1849) fue considerada la mayor mejora desde James Watt. [49] La máquina Corliss había mejorado enormemente el control de velocidad y la eficiencia, lo que la hacía adecuada para todo tipo de aplicaciones industriales, incluida la hilatura.
Corliss utilizó puertos separados para el suministro de vapor y el escape, lo que impidió que el escape enfriara el conducto utilizado por el vapor caliente. Corliss también utilizó válvulas parcialmente giratorias que proporcionaban una acción rápida, lo que ayudaba a reducir las pérdidas de presión. Las válvulas en sí mismas también eran una fuente de fricción reducida, especialmente en comparación con la válvula de corredera, que normalmente utilizaba el 10% de la potencia de un motor. [50]
Corliss utilizó un sistema de corte variable automático. El mecanismo de válvulas controlaba la velocidad del motor mediante el regulador para variar el momento del corte. Esto fue en parte responsable de la mejora de la eficiencia, además del mejor control de la velocidad.
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El motor Porter-Allen, introducido en 1862, utilizaba un mecanismo avanzado de distribución de válvulas desarrollado para Porter por Allen, un mecánico de excepcional habilidad, y al principio se lo conocía generalmente como el motor Allen. El motor de alta velocidad era una máquina de precisión que estaba bien equilibrada, logros que fueron posibles gracias a los avances en las máquinas herramienta y la tecnología de fabricación. [50]
El motor de alta velocidad funcionaba a velocidades de pistón de tres a cinco veces la velocidad de los motores ordinarios. También tenía una baja variabilidad de velocidad. El motor de alta velocidad se utilizó ampliamente en aserraderos para accionar sierras circulares. Más tarde se utilizó para la generación de electricidad.
El motor tenía varias ventajas. En algunos casos, podía acoplarse directamente. Si se utilizaban engranajes o correas y tambores, podían ser de tamaños mucho más pequeños. El motor en sí también era pequeño para la cantidad de potencia que desarrollaba. [50]
Porter mejoró considerablemente el regulador de bola flotante al reducir el peso giratorio y agregar un peso alrededor del eje. Esto mejoró significativamente el control de velocidad. El regulador de Porter se convirtió en el tipo líder en 1880. [ cita requerida ]
La eficiencia del motor Porter-Allen era buena, pero no igual a la del motor Corliss. [13]
[51] El motor de flujo único fue el tipo más eficiente de motor de alta presión. Fue inventado en 1911 y patentado por primera vez en 1885 por Leonard Jennett Todd. El motor de flujo único utilizaba válvulas de asiento y semicilindros que permitían que el vapor pasara al motor y luego se utilizaba para crear un entorno de alta presión que era clave para el funcionamiento del motor de flujo único. Se utilizó en barcos, locomotoras de vapor y vagones de vapor, pero fue reemplazado por turbinas de vapor y, más tarde, por motores diésel marinos . [50] [52] [53] [17]
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