La primera máquina de vapor rudimentaria registrada fue la eolipila mencionada por Vitruvio entre el 30 y el 15 a. C. y descrita por Herón de Alejandría en el Egipto romano del siglo I. [1] Posteriormente se experimentaron o propusieron varios dispositivos impulsados por vapor, como el gato de vapor de Taqi al-Din , una turbina de vapor en el Egipto otomano del siglo XVI 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 de pistón y cilindro, que fue el tipo fundamental de máquina de vapor utilizada hasta principios del siglo XX. La máquina de vapor se utilizaba para bombear agua de las minas de carbón.
Durante la Revolución Industrial , las máquinas de vapor comenzaron a reemplazar la energía hidráulica y eólica, y eventualmente se convirtieron en la fuente de energía dominante a fines del siglo XIX y permanecieron así hasta las primeras décadas del siglo XX, cuando las más eficientes turbinas de vapor y la combustión interna El motor resultó en la rápida sustitución de las máquinas de vapor. La turbina de vapor se ha convertido en el método más común mediante el cual se accionan los generadores de energía eléctrica. [2] 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 año 400 a.C. [3] [4] [5] [6] La máquina de vapor rudimentaria y la turbina de vapor de reacción más antiguas conocidas , la eolipila , es descrita por un matemático e ingeniero llamado Herón de Alejandría en el Egipto romano del siglo I , como consta en su manuscrito Spiritalia seu. Neumática . [7] [8]
Vitruvio también mencionó el mismo dispositivo en De Architectura unos 100 años antes. El vapor expulsado tangencialmente desde las boquillas provocó que girara una bola pivotada. Su eficiencia térmica era baja. Esto sugiere que la conversión de la presión del vapor en movimiento mecánico ya era conocida en el Egipto romano del siglo I. Heron también ideó una máquina que utilizaba aire calentado en el fuego de un altar para desplazar una cantidad de agua de un recipiente cerrado. Se hizo que el peso del agua tirara de una cuerda oculta para accionar las puertas del templo. [8] [9] Algunos historiadores han combinado los dos inventos para afirmar, incorrectamente, que el eólipilo era capaz de realizar un trabajo útil. [ cita necesaria ]
Según Guillermo de Malmesbury , en 1125, Reims albergaba una iglesia que tenía un órgano accionado por aire que escapaba de la compresión "por agua caliente", aparentemente diseñado y construido por el profesor Gerbertus. [8] [10]
Entre los artículos de Leonardo da Vinci que datan de finales del siglo XV se encuentra el diseño de un cañón propulsado por vapor llamado Architonnerre , que funciona mediante la entrada repentina de agua caliente en un cañón sellado al rojo vivo. [11]
Una rudimentaria turbina de vapor de impacto fue descrita en 1551 por Taqi al-Din , filósofo , astrónomo e ingeniero del Egipto otomano del siglo XVI , quien describió un método para hacer girar un asador mediante un chorro de vapor que se movía sobre paletas giratorias alrededor de la periferia del una llanta. John Wilkins también describió más tarde un dispositivo similar para girar un asador en 1648. [12] Estos dispositivos se llamaban entonces "molinos", pero ahora se conocen como gatos de vapor . Otra turbina de vapor rudimentaria similar la muestra Giovanni Branca , un ingeniero italiano, en 1629 para hacer girar un dispositivo de escape cilíndrico que alternativamente levantaba y dejaba caer un par de morteros que trabajaban en morteros. [13] Sin embargo, el flujo de vapor de estas primeras turbinas de vapor no estaba concentrado y la mayor parte de su energía se disipaba en todas direcciones. Esto habría provocado un gran desperdicio de energía, por lo que nunca se consideró seriamente su uso industrial.
En 1605, el matemático francés David Rivault de Fleurance escribió en su tratado sobre artillería su descubrimiento de que el agua, si se confinaba en una bomba y se calentaba, hacía explotar los proyectiles. [14]
En 1606, el español Jerónimo de Ayanz y Beaumont hizo una demostración y obtuvo la patente de una bomba de agua impulsada por vapor. La bomba se utilizó con éxito para drenar las minas inundadas de Guadalcanal, España . [15]
"Los descubrimientos que, reunidos por Thomas Newcomen en 1712, dieron como resultado la máquina de vapor fueron:" [16]
En 1643, Evangelista Torricelli realizó experimentos con bombas de agua de elevación por succión para probar su límite, que era de unos 32 pies. (La presión atmosférica es de 32,9 pies o 10,03 metros. La presión de vapor del agua reduce la altura teórica de elevación). Ideó un experimento usando un tubo lleno de mercurio e invertido en un recipiente con mercurio (un barómetro ) y observó un espacio vacío sobre la columna de mercurio, que, según su teoría, no contenía nada, es decir, un vacío. [17]
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 manifestación en 1654 en Magdeburgo, Alemania, donde era alcalde. Se unieron dos hemisferios de cobre y se bombeó aire. Los pesos atados a los hemisferios no podían separarlos hasta que se abriera 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 . [17]
Gaspar Schott fue el primero en describir el experimento del hemisferio en su Mechanica Hydraulico-Pneumatica (1657). [17]
Después de leer el libro de Schott, Robert Boyle construyó una bomba de vacío mejorada y realizó experimentos relacionados. [17]
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, publicando un relato de su trabajo en Continuación de nuevos experimentos (1680) y hizo una presentación ante 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 a presión, y publicó sus resultados en 1707. [17]
En 1663, Edward Somerset, segundo marqués de Worcester , publicó un libro de 100 inventos que describía un método para elevar agua entre pisos empleando un principio similar al de una cafetera . Su sistema fue el primero en separar la caldera (un cañón de cañón calentado) de la acción de bombeo. Se admitía agua desde una cisterna a un barril reforzado y luego se abría una válvula para admitir vapor de una caldera separada. La presión se acumuló sobre la superficie del agua, impulsándola hacia arriba por una tubería. [18] Instaló su dispositivo propulsado por vapor en la pared de la Gran Torre del Castillo Raglan para suministrar agua a través de la torre. Las ranuras de la pared donde estaba instalado el motor aún 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 quedó sin desarrollar. [17] [19]
Samuel Morland , un matemático e inventor que trabajó en bombas, dejó notas en la Oficina de Ordenanzas de Vauxhall sobre el diseño de una bomba de vapor que leyó Thomas Savery . En 1698, Savery construyó una bomba de vapor llamada "El amigo del minero". Empleaba tanto vacío como presión. Se utilizaron para servicios de baja potencia durante varios años. [17]
Thomas Newcomen era un comerciante que comerciaba con productos de hierro fundido. El motor de Newcomen se basó en el diseño de pistón y cilindro propuesto por Papin. En el motor de Newcomen, el vapor se condensaba mediante agua rociada dentro del cilindro, lo que provocaba que la presión atmosférica moviera el pistón. El primer motor de Newcomen se instaló para bombear en una mina en 1712 en Dudley Castle en Staffordshire. [17]
Denis Papin (22 de agosto de 1647 - c. 1712 ) fue un físico, matemático e inventor francés, mejor 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 trasladarse a Inglaterra en 1680, Papin ideó una versión del mismo cilindro que obtenía un vacío más completo hirviendo agua 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 fue necesario desmontar y volver a montar todo el aparato. Papin vio rápidamente que para hacer un ciclo automático el vapor tendría que generarse por separado en una caldera; sin embargo, no llevó el proyecto más lejos. Papin también diseñó un bote de remos impulsado por un jet que giraba sobre una rueda de molino en una combinación de las concepciones de Taqi al Din y Savery y también se le atribuye una serie de dispositivos importantes, como la válvula de seguridad . Los años de investigación de Papin sobre los problemas del aprovechamiento del vapor jugaron un papel clave en el desarrollo de los primeros motores industriales exitosos que poco después de su muerte.
La primera máquina de vapor que se aplicó industrialmente fue el "camión de bomberos" o "amigo del minero", diseñado por Thomas Savery en 1698. Se trataba de una bomba de vapor sin pistones, similar a la desarrollada por Worcester. Savery hizo dos contribuciones clave que mejoraron enormemente la practicidad del diseño. Primero, para permitir que el suministro de agua se colocara debajo del motor, usó vapor condensado para producir un vacío parcial en el depósito de bombeo (el barril en el ejemplo de Worcester), y lo usó para empujar el agua hacia arriba. En segundo lugar, para enfriar rápidamente el vapor y producir el vacío, hizo correr agua fría sobre el depósito.
La operación requirió varias válvulas; al comienzo de un ciclo, cuando el depósito estaba vacío, se abría una válvula para admitir vapor. Esta válvula se cerraría para sellar el depósito y la válvula de agua de refrigeración se abriría para condensar el vapor y crear un vacío parcial. Luego se abriría una válvula de suministro, empujando el agua hacia el depósito; el motor típico podría arrastrar agua hasta 20 pies. [20] Luego se cerró y la válvula de vapor se volvió a abrir, generando presión sobre el agua y bombeándola hacia arriba, como en el diseño de Worcester. Este ciclo esencialmente duplicó la distancia que se podía bombear agua para cualquier presión de vapor dada, y los ejemplos de producción elevaron el agua unos 40 pies. [20]
El motor de Savery resolvió un problema que recientemente se había vuelto grave; sacando 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 fue compensado por el hecho de que la bomba separada utilizada por el motor de Newcomen era ineficiente, dando a los dos motores aproximadamente la misma eficiencia de 6 millones de libras-pie por bushel de carbón (menos de 1 %). [21] El motor Savery tampoco era muy seguro porque parte de su ciclo requería vapor a 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. [22] 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. [23]
El motor Savery era menos costoso que el de Newcomen y se producía en tamaños más pequeños. [24] Algunos constructores fabricaron versiones mejoradas del motor Savery hasta finales del siglo XVIII. [21] Bento de Moura Portugal , FRS , introdujo una ingeniosa mejora en la construcción de Savery "para hacerla capaz de funcionar por sí misma", como lo describe John Smeaton en Philosophical Transactions publicado en 1751. [25]
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 para la que podría haber una demanda comercial. Este tomó la forma de un motor de viga alternativo instalado a nivel de la superficie que accionaba una sucesión de bombas en un extremo de la viga. El motor, sujeto por cadenas desde el otro extremo de la viga, funcionaba según el principio atmosférico o de vacío. [27]
El diseño de Newcomen utilizó algunos elementos de conceptos anteriores. Al igual que el diseño de Savery, la máquina 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 el interior del cilindro. El pistón estaba lubricado y sellado por un chorrito de agua de la misma cisterna que suministraba el agua de refrigeración. Además, para mejorar el efecto de enfriamiento, roció agua directamente en el cilindro.
El pistón estaba unido mediante una cadena a una gran viga pivotante. Cuando el pistón tiró de la viga, el otro lado de la viga fue empujado hacia arriba. 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, se volvió a abrir la válvula de vapor y el peso de las varillas de la bomba tiró de la viga hacia abajo, levantando el pistón y aspirando vapor hacia el cilindro nuevamente.
El uso del pistón y la viga permitió que el motor Newcomen accionara bombas en diferentes niveles en toda 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 con carbón (en comparación con motores posteriores), estos motores levantaban volúmenes de agua mucho mayores y desde mayores profundidades de lo que antes había sido posible. [22] En 1735 se instalaron más de 100 motores Newcomen en Inglaterra, y se estima que hasta 2000 estaban en funcionamiento en 1800 (incluidas las versiones Watt).
John Smeaton realizó numerosas mejoras en el motor Newcomen, en particular los sellos, y al mejorarlos pudo casi triplicar su eficiencia. También prefirió utilizar ruedas en lugar de vigas para transferir potencia desde el cilindro, lo que hizo que sus motores fueran más compactos. Smeaton fue el primero en desarrollar una teoría rigurosa del diseño de funcionamiento de las máquinas de vapor. Trabajó hacia atrás desde el rol previsto para calcular la cantidad de energía que se necesitaría para la tarea, el tamaño y la velocidad de un 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 motores Newcomen en Cornwall y Newcastle, y de construir su propio motor experimental en su casa de Austhorpe en 1770. Cuando se introdujo el motor Watt, sólo unos años más tarde, Smeaton había construido docenas de motores. Motores cada vez más grandes hasta los 100 CV. [28]
Mientras trabajaba en la Universidad de Glasgow como fabricante y reparador de instrumentos en 1759, el profesor John Robison introdujo a James Watt en el poder del vapor . Fascinado, Watt se puso 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 un motor 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 utilizado por el motor se desperdiciaba. En lugar de proporcionar fuerza motriz, se utilizaba para calentar el cilindro. En el diseño de Newcomen, cada golpe de potencia se iniciaba con un rocío de agua fría, que no sólo condensaba el vapor, sino que también enfriaba las paredes del cilindro. Este calor tuvo que ser reemplazado antes de que el cilindro aceptara vapor nuevamente. En el motor de Newcomen el calor lo aportaba únicamente el vapor, por lo que cuando se abría de nuevo la válvula de vapor la gran mayoría se condensaba en las paredes frías nada más entrar en el cilindro. Tomó una cantidad considerable de tiempo y vapor antes de que el cilindro volviera a calentarse y el vapor comenzara a llenarlo.
Watt resolvió el problema del rociado de agua llevando el agua fría a un cilindro diferente, colocado al lado del cilindro de potencia. Una vez completada la carrera de inducción se abría una válvula entre los dos, y cualquier vapor que entrara al cilindro se condensaría dentro de este cilindro frío. Esto crearía un vacío que atraería más vapor hacia el cilindro, y así sucesivamente hasta que el vapor estuviera mayormente condensado. Luego se cerró la válvula y el funcionamiento del cilindro principal continuó como lo haría en un motor Newcomen convencional. Como el cilindro de potencia permaneció a la temperatura operativa en todo momento, el sistema estaba listo para otra carrera tan pronto como el pistón volvió a subir. Mantener la temperatura era una camisa alrededor del cilindro por donde entraba el vapor. Watt produjo un modelo funcional en 1765.
Convencido de que se trataba de un gran avance, Watt se asoció para proporcionar 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 sacar el vapor del cilindro al condensador, mejorando aún más los tiempos de los ciclos. Un cambio más radical con respecto al diseño de Newcomen fue cerrar la parte superior del cilindro e introducir vapor a baja presión sobre el pistón. Ahora la potencia no se debía a la diferencia de presión atmosférica y el vacío, sino a la presión del vapor y el vacío, un valor algo superior. 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 ser condensado en la carrera descendente. El sellado del pistón de un motor Newcomen se logró manteniendo una pequeña cantidad de agua en su parte superior. Esto ya no era posible en la máquina de Watt debido a la presencia del vapor. Watt dedicó un esfuerzo considerable a encontrar un sello que funcionara, y finalmente lo obtuvo usando 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. [29]
El problema del sellado del pistón se debía a que no había forma de producir un cilindro suficientemente redondo. Watt intentó perforar cilindros de hierro fundido, pero estaban demasiado deformados. Watt se vio obligado a utilizar un cilindro de hierro martillado. [30] 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 las herramientas ni los trabajadores que pudieran fabricar una máquina tan compleja con suficiente precisión'" [30]
Watt finalmente consideró que el diseño era lo suficientemente bueno como para lanzarlo al mercado en 1774, y el motor Watt se lanzó al mercado. Como partes del diseño podían adaptarse fácilmente a los motores Newcomen existentes, no había necesidad de construir un motor completamente nuevo en las minas. En cambio, Watt y su socio comercial Matthew Boulton autorizaron las mejoras a los operadores de motores, cobrándoles una parte del dinero que ahorrarían en costos reducidos de combustible. El diseño tuvo un gran éxito y se formó la empresa Boulton and Watt para licenciar el diseño y ayudar a los nuevos fabricantes a construir los motores. Más tarde, los dos abrirían Soho Foundry para producir sus propios motores.
En 1774, John Wilkinson inventó una máquina perforadora con el eje que sostenía la herramienta perforadora apoyada en ambos extremos, extendiéndose a través del cilindro, a diferencia de los perforadores en voladizo utilizados en ese momento. Con esta máquina pudo perforar con éxito el cilindro del primer motor comercial de Boulton y Watt en 1776. [30]
Watt nunca dejó de mejorar sus diseños. Esto mejoró aún más la velocidad del ciclo operativo, introdujo reguladores, válvulas automáticas, pistones de doble acción, una variedad de tomas de fuerza rotativas y muchas otras mejoras. La tecnología de Watt permitió el uso comercial generalizado de máquinas de vapor estacionarias. [31]
Humphrey Gainsborough produjo un modelo de máquina de vapor de condensación en la década de 1760, que mostró a Richard Lovell Edgeworth , miembro de la Sociedad Lunar . Gainsborough creía que Watt había utilizado sus ideas para el invento; [32] sin embargo, James Watt no era miembro de la Sociedad Lunar en este período y sus numerosos relatos que explican la sucesión de procesos de pensamiento que llevaron al diseño final tenderían a desmentir esta historia.
La potencia todavía estaba limitada por la baja presión, el desplazamiento del cilindro, las tasas de combustión y evaporación y la capacidad del condensador. La eficiencia teórica máxima estaba limitada por el diferencial de temperatura relativamente bajo a ambos lados del pistón; Esto significaba que para que un motor Watt proporcionara una cantidad utilizable de potencia, los primeros motores de producción tenían que ser muy grandes y, por tanto, su construcción e instalación eran costosas.
Watt desarrolló un motor de doble acción 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. [33] [34]
Boulton & Watt desarrolló el motor alternativo al tipo rotativo . A diferencia del motor Newcomen, el motor Watt podía funcionar con la suficiente suavidad como para conectarse a un eje de transmisión (a través de engranajes solares y planetarios ) para proporcionar potencia giratoria junto con cilindros condensadores de doble acción. El primer ejemplo se construyó como demostrador y se instaló en la fábrica de Boulton para trabajar con máquinas para lapear (pulir) botones o similares. Por este motivo siempre fue conocido como Lap Engine . [35] [36] En las primeras máquinas de vapor, el pistón generalmente estaba conectado mediante 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 suficientemente constante para operaciones críticas como el hilado de algodón. Para controlar la velocidad, el motor se utilizaba para bombear agua a una rueda hidráulica, que impulsaba la maquinaria. [37] [38]
A medida que avanzaba el siglo XVIII, se pedían mayores presiones; Watt se resistió firmemente a esto y utilizó el monopolio que le otorgaba su patente para evitar 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 estaban construidas y de la resistencia de los materiales utilizados.
Las ventajas importantes de los motores de alta presión fueron:
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, causando presión atmosférica (Newcomen) y vapor a baja presión, rara vez más de 7 psi de presión en la caldera, [39] más vacío en el condensador [ 40] (Watt), para mover el pistón. En un motor de alta presión, la mayor parte de la diferencia de presión la proporciona el vapor a 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 todos por debajo de la línea atmosférica, vería un renacimiento casi 200 años después con el cilindro de baja presión de los motores de triple expansión contribuyendo con alrededor del 20% de la potencia del motor, nuevamente casi completamente por debajo de la línea atmosférica. [41]
El primer defensor conocido del "vapor fuerte" fue Jacob Leupold en su proyecto de una máquina que apareció en obras enciclopédicas de c. 1725 . A lo largo del siglo también aparecieron varios proyectos de barcos y vehículos propulsados por vapor, siendo uno de los más prometedores la construcción de Nicolas-Joseph Cugnot , que demostró su "fardier" (vagón de vapor) en 1769. Si bien la presión de trabajo utilizada para este vehículo es Desconocido, el pequeño tamaño de la caldera daba una tasa de producción de vapor insuficiente para permitir al herrador avanzar 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 al igual que con el modelo de William Murdoch de 1784, muchos fueron bloqueados por Boulton y Watt.
Esto no se aplicaba en Estados Unidos, 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, transportando hasta 30 pasajeros. Este barco normalmente podía navegar de 7 a 8 millas por hora y viajó más de 2000 millas (3200 km) durante su corto período de servicio. El barco de vapor Fitch no fue un éxito comercial, ya que esta ruta estaba adecuadamente cubierta por caminos de carros relativamente buenos. En 1802, William Symington construyó un práctico barco de vapor y, en 1807, Robert Fulton utilizó una máquina de vapor Watt para impulsar el primer barco de vapor comercialmente exitoso . [ cita necesaria ]
Oliver Evans, a su vez, era partidario del "vapor fuerte", que aplicaba a los motores de los barcos y a los usos estacionarios. Fue pionero de las calderas cilíndricas; sin embargo, las calderas de Evans sufrieron varias explosiones graves, lo que tendió a dar peso a los escrúpulos de Watt. Fundó la Pittsburgh Steam Engine Company en 1811 en Pittsburgh , Pensilvania. [42] La empresa introdujo 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 . [43]
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 funciona a una temperatura y un diferencial de presión más altos que los posibles con un motor de vacío de baja presión. De este modo, el motor de alta presión se convirtió en la base para 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 muy baja presión, es decir, 40-50 psi (276-345 kPa), la cuestión es que el motor de alta presión en cuestión no tenía condensación. , impulsado únicamente por el poder expansivo del vapor, y una vez que ese vapor había realizado su trabajo, generalmente se agotaba a una presión superior a la atmosférica. La ráfaga de vapor de escape hacia la chimenea podría aprovecharse para crear un tiro inducido a través de la rejilla del fuego y así aumentar la velocidad de combustión, creando así más calor en un horno más pequeño, a expensas de crear contrapresión en el lado de escape de la chimenea. pistón.
El 21 de febrero de 1804, en la ferretería Penydarren en Merthyr Tydfil , en el sur de Gales, se demostró la primera máquina de vapor o locomotora de vapor autopropulsada, construida por Richard Trevithick . [44]
Alrededor de 1811, Richard Trevithick tuvo que actualizar un motor de bombeo Watt para adaptarlo a una de sus nuevas grandes calderas cilíndricas de Cornualles . Cuando Trevithick partió hacia América del Sur en 1816, William Sims continuó sus mejoras. Paralelamente, Arthur Woolf desarrolló un motor compuesto con dos cilindros, de modo que el vapor se expandía en un cilindro de alta presión antes de liberarse en uno de baja presión. Samuel Groase mejoró aún más la eficiencia, quien aisló la caldera, el motor y las tuberías. [45]
La presión del vapor sobre el pistón aumentó hasta llegar a 40 psi (0,28 MPa ) o incluso 50 psi (0,34 MPa ) y ahora proporcionó gran parte de la potencia para la carrera descendente; al mismo tiempo se mejoró la condensación. Esto aumentó considerablemente la eficiencia y se continuaron construyendo nuevos motores de bombeo en el sistema de Cornualles (a menudo conocidos como motores de Cornualles ) durante todo el 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 no comenzó hasta la década de 1830, generalmente mediante la adición de otro cilindro (de alta presión). [46]
Otra limitación de las primeras máquinas de vapor era la variabilidad de la velocidad, lo que las hacía inadecuadas para muchas aplicaciones textiles, especialmente el hilado. Para obtener velocidades constantes, las primeras fábricas textiles impulsadas por vapor utilizaban la máquina de vapor para bombear agua a una rueda hidráulica, que impulsaba la maquinaria. [47]
Muchos de estos motores se suministraron en todo el mundo y brindaron un servicio confiable y eficiente durante muchos años con un consumo de carbón muy reducido. Algunos de ellos eran muy grandes y el tipo continuó construyéndose hasta la década de 1890.
.jpg/1280px-Corliss_valvegear,_Gordon's_improved_(New_Catechism_of_the_Steam_Engine,_1904).jpg)
La máquina de vapor Corliss (patentada en 1849) fue considerada la mayor mejora desde James Watt. [48] El motor Corliss había mejorado enormemente el control de velocidad y la eficiencia, lo que lo hacía adecuado para todo tipo de aplicaciones industriales, incluida la hilatura.
Corliss utilizó puertos separados para el suministro y el escape de vapor, lo que impidió que el escape enfriara el paso utilizado por el vapor caliente. Corliss también utilizó válvulas parcialmente giratorias que proporcionaban una acción rápida y ayudaban a reducir las pérdidas de presión. Las propias válvulas también constituían una fuente de fricción reducida, especialmente en comparación con la válvula deslizante, que normalmente consumía el 10% de la potencia de un motor. [49]
Corliss utilizó un corte variable automático. El engranaje de válvulas controlaba la velocidad del motor utilizando el gobernador para variar el momento del corte. Esto fue en parte responsable de la mejora de la eficiencia, además del mejor control de la velocidad.
.jpg/1280px-Porter-Allen_high-speed_engine_(New_Catechism_of_the_Steam_Engine,_1904).jpg)
El motor Porter-Allen, introducido en 1862, utilizaba un mecanismo avanzado de engranajes de válvulas desarrollado para Porter por Allen, un mecánico de habilidad excepcional, y al principio fue conocido generalmente como motor Allen. El motor de alta velocidad era una máquina de precisión y bien equilibrada, logros posibles gracias a los avances en las máquinas herramienta y la tecnología de fabricación. [49]
El motor de alta velocidad funcionaba a velocidades de pistón de tres a cinco veces la velocidad de los motores normales. También tenía una baja variabilidad de velocidad. El motor de alta velocidad se utilizó ampliamente en los aserraderos para accionar sierras circulares. Posteriormente fue utilizado para generación eléctrica.
El motor tenía varias ventajas. En algunos casos, podría estar acoplado directamente. Si se utilizaran engranajes o correas y tambores, podrían ser de tamaños mucho más pequeños. El motor en sí también era pequeño para la cantidad de potencia que desarrollaba. [49]
Porter mejoró enormemente el regulador de fly-ball al reducir el peso giratorio y agregar un peso alrededor del eje. Esto mejoró significativamente el control de velocidad. El gobernador de Porter se convirtió en el tipo líder en 1880. [ cita necesaria ]
La eficiencia del motor Porter-Allen era buena, pero no igual a la del motor Corliss. [12]
El motor Uniflow era el tipo más eficiente de motor de alta presión. Fue inventado en 1911 y se utilizó en barcos, pero fue desplazado por las turbinas de vapor y posteriormente por los motores diésel marinos . [49] [50] [51] [16]
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: ubicación ( enlace ) Mantenimiento CS1: posdata ( enlace ){{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )