El diseño de la máquina de vapor Watt se convirtió en sinónimo de máquinas de vapor, y pasaron muchos años antes de que diseños significativamente nuevos comenzaran a reemplazar el diseño Watt básico.
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 que el motor movía empujaba el pistón hacia la parte superior del cilindro a medida que se introducía vapor. Luego, el cilindro se enfrió mediante un rocío de agua, lo que provocó que el vapor se condensara, formando un vacío parcial en el cilindro. La presión atmosférica en la parte superior del pistón lo empujó hacia abajo, levantando el objeto de trabajo. James Watt notó 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. Después de llenar el cilindro de potencia con vapor, se abrió una válvula en el cilindro secundario, permitiendo que el vapor fluyera hacia él y se condensara, lo que extrajo el vapor del cilindro principal provocando la carrera de potencia. El cilindro de condensación se enfrió con agua para mantener el vapor condensado. Al final de la carrera de potencia, la válvula se cerraba para que el cilindro de potencia pudiera llenarse con vapor mientras el pistón se movía hacia arriba. El resultado fue el mismo ciclo que el diseño de Newcomen, pero sin ningún enfriamiento del cilindro de potencia, que quedó inmediatamente listo para otra carrera.
Watt trabajó en el diseño durante varios años, introduciendo el condensador e introduciendo mejoras en prácticamente todas las partes del diseño. En particular, 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 produjeron un diseño más confiable que usaba 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 herrería Carron Company . Watt continuó trabajando para mejorar el motor y en 1781 introdujo un sistema que utilizaba un engranaje solar y planetario para convertir el movimiento lineal de los motores en movimiento giratorio. Esto lo hizo útil no solo en la función de bombeo original, sino también como reemplazo directo en funciones donde anteriormente se habría usado 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 necesitar, como antes, una fuente de agua y una topografía adecuadas . El socio de Watt, Matthew Boulton, comenzó a desarrollar multitud de máquinas que hacían uso de esta potencia rotativa, desarrollando la primera fábrica industrializada moderna, Soho Foundry , que a su vez produjo nuevos diseños de máquinas de vapor. Los primeros motores de Watt eran como los diseños originales de Newcomen en el sentido de que utilizaban vapor a baja presión y toda la potencia se producía mediante presión atmosférica. Cuando, a principios del siglo XIX, otras empresas introdujeron máquinas de vapor de alta presión, Watt se mostró reacio a seguir su ejemplo debido a preocupaciones de seguridad. [2] Queriendo mejorar el rendimiento de sus motores, Watt comenzó a considerar el uso de vapor de mayor presión, así como diseños que utilizan múltiples cilindros tanto en el concepto de doble acción como en el concepto de expansión múltiple. Estos motores de doble efecto requirieron la invención del movimiento paralelo , que permitía que los vástagos de los cilindros individuales se movieran en línea recta, manteniendo el pistón en el cilindro, mientras que el extremo de la viga móvil se movía a través de un arco, algo análogo a un cruceta en máquinas 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 mediante la condensación de vapor. El aparato también se propuso para drenar minas , pero solo podía aspirar fluido hasta aproximadamente 25 pies, lo que significaba que tenía que ubicarse dentro de esta distancia del piso de la mina que se estaba drenando. A medida que las minas se hacían más profundas, esto a menudo resultaba poco práctico. También consumía una gran cantidad de combustible en comparación con motores posteriores. [3]
La solución para drenar minas profundas la encontró Thomas Newcomen , quien desarrolló un motor "atmosférico" que también funcionaba según el principio de 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 al cilindro debajo del pistón. A medida que el pistón ascendía dentro del cilindro, empujado hacia arriba por un contrapeso, aspiraba vapor a presión atmosférica. En la parte superior de la carrera, se cerró la válvula de vapor y se inyectó brevemente agua fría en el cilindro como medio para enfriar el vapor. Esta agua condensó el vapor y creó 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", tiró hacia abajo el extremo de la viga, levantando el extremo opuesto de la viga. Por lo tanto, se impulsó la bomba en lo profundo de la mina unida al extremo opuesto de la viga mediante cuerdas y cadenas. La bomba empujaba, en lugar de tirar, la columna de agua hacia arriba, por lo que podía elevar agua a cualquier distancia. Una vez que el pistón estuvo en el fondo, el ciclo se repitió. [3]
El motor Newcomen era más potente que el motor Savery. Por primera vez se pudo sacar agua desde una profundidad de más de 91 m (100 yardas). [4] El primer ejemplar de 1712 pudo sustituir un equipo de 500 caballos que se había utilizado para bombear la mina. Se instalaron setenta y cinco motores de bombeo Newcomen en minas de Gran Bretaña, Francia, Holanda, Suecia y Rusia. En los siguientes cincuenta años sólo se hicieron unos pequeños cambios en el diseño del motor. Fue un gran avance.
Si bien los motores Newcomen aportaban beneficios prácticos, eran ineficientes en términos del uso de energía para impulsarlos. El sistema de enviar alternativamente chorros de vapor y luego 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 continuaría condensándose hasta que el cilindro se acercara nuevamente a la temperatura de trabajo. Así, en cada golpe 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 motor modelo Newcomen y notó lo ineficiente que era. [5]
En 1765, Watt tuvo la idea de equipar el motor con una cámara de condensación separada , a la que llamó "condensador" . Debido a que el condensador y el cilindro de trabajo estaban separados, la condensación se produjo sin una pérdida significativa de calor del cilindro. El condensador permaneció frío y por debajo de la presión atmosférica en todo momento, mientras que el cilindro permaneció caliente en todo momento.
El vapor se extraía de la caldera al cilindro debajo del pistón . Cuando el pistón alcanzó la parte superior del cilindro, la válvula de entrada de vapor se cerró y se abrió la válvula que controlaba el paso al condensador. El condensador, al estar a una presión más baja, extraía el vapor del cilindro hacia el condensador donde se enfriaba y condensaba de vapor de agua a agua líquida, manteniendo un vacío parcial en el condensador que se comunicaba al espacio del cilindro por el pasaje de conexión. Luego, la presión atmosférica externa empujó el pistón hacia abajo en el cilindro.
La separación del cilindro y el condensador eliminó la pérdida de calor que se producía cuando se condensaba vapor 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 y realizando 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 entró en el condensador en forma de pulverización absorbió el calor latente del vapor y se determinó que era siete veces el volumen del vapor condensado. Luego, la bomba de aire eliminó el condensado y el agua inyectada, y el agua fría circundante sirvió para absorber la energía térmica restante para mantener una temperatura del condensador de 30 °C a 45 °C y la presión equivalente de 0,04 a 0,1 bar [ 6 ]
En cada carrera, el condensado caliente era extraído del condensador y enviado 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 recirculó 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 cortó durante la carrera y el vapor se expandió contra el vacío en el otro lado. Esto aumentó la eficiencia del motor, pero también creó 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 proporción de 1:2 (es decir, el suministro de vapor se cortó a media carrera). Esto aumentó la eficiencia teórica del 6,4% al 10,6%, con sólo una pequeña variación en la presión del pistón. [6] Watt no utilizó vapor a alta presión por motivos de seguridad. [2] : 85
Estas mejoras llevaron a la versión completamente desarrollada de 1776 que realmente entró en producción. [7]
El condensador separado mostró un enorme potencial de mejora en el motor Newcomen, pero Watt todavía estaba desanimado por problemas aparentemente insuperables antes de que se pudiera perfeccionar un motor comercializable. Sólo después de asociarse con Matthew Boulton esto se hizo realidad. Watt le contó a Boulton sus ideas para mejorar el motor, y Boulton, un ávido empresario, acordó 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 poner en funcionamiento el primer motor. En su versión completamente desarrollada, consumía aproximadamente un 75% menos de combustible que uno similar de Newcomen.
En 1775, Watt diseñó dos grandes motores: uno para Bloomfield Colliery en Tipton , terminado en marzo de 1776, y otro para la herrería de John Wilkinson en Broseley en Shropshire , que estaba en funcionamiento el mes siguiente. Ese verano también estaba funcionando un tercer motor, en Stratford-le-Bow , al este de Londres. [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 estaba deformado y provocaba fugas a través del pistón. Joseph Wickham Roe afirmó en 1916: "Cuando [John] Smeaton vio el primer 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 ' ". [9]
En 1774, John Wilkinson inventó una máquina perforadora en la que el eje que sostenía la herramienta de corte estaba apoyado en ambos extremos y se extendía a través del cilindro, a diferencia de los perforadores en voladizo que se utilizaban entonces. Boulton escribió en 1776 que "el señor Wilkinson nos ha perforado varios cilindros casi sin error; el de 50 pulgadas de diámetro, que hemos instalado en Tipton, no se equivoca en ninguna parte con el grosor de un chelín viejo". [9]
La práctica de Boulton y Watt era ayudar a los propietarios de minas y otros clientes a construir motores, proporcionando hombres para montarlos y algunas piezas especializadas. Sin embargo, el principal beneficio de su patente se derivaba del cobro de una tasa de licencia a los propietarios de los motores, en función del 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, particularmente Cornwall , para el cual se encargaron tres motores en 1777, para las minas 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. Impulsar los motores utilizando vapor a baja presión y vacío parcial planteó la posibilidad de desarrollar motores alternativos . [11] Una disposición de válvulas podría admitir alternativamente vapor a baja presión al cilindro y luego conectarse con el condensador. En consecuencia, la dirección de la carrera de potencia podría invertirse, facilitando la obtención del movimiento giratorio. Los beneficios adicionales del motor de doble efecto fueron una mayor eficiencia, mayor velocidad (mayor potencia) y un movimiento más regular.
Antes del desarrollo del pistón de doble efecto, la unión a la viga y al vástago del pistón se realizaba mediante una cadena, lo que significaba que la potencia sólo podía aplicarse en una dirección, tirando. Esto era eficaz en motores que se utilizaban para bombear agua, pero la doble acción del pistón significaba que podía empujar y tirar. Esto no fue posible mientras la viga y la varilla estuvieran conectadas por una cadena. Además, no era posible unir el vástago del cilindro sellado directamente con la viga, porque mientras la varilla se movía verticalmente en línea recta, la viga giraba en su centro, describiendo cada lado 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 con 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.
Tener la viga conectada al eje del pistón mediante un medio que aplicaba fuerza alternativamente en ambas direcciones también significaba que era posible utilizar el movimiento de la viga para 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 engranaje planetario y solar epicicloidal sugerido por un empleado William Murdoch , y sólo más tarde volvió, una vez que los derechos de patente habían expirado, a la manivela más familiar que se ve en la mayoría de los motores hoy en día. [14] La rueda principal unida a la manivela era grande y pesada, y servía como volante que, una vez puesto en movimiento, por su impulso mantenía una potencia constante y suavizaba la acción de los golpes alternos. A su eje central giratorio se podían acoplar correas y engranajes para accionar una gran variedad de maquinaria.
Como la maquinaria de la fábrica necesitaba 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] La centrífuga no era un verdadero controlador de velocidad porque no podía mantener una velocidad establecida en respuesta a un cambio en la carga. [dieciséis]
Estas mejoras permitieron que la máquina de vapor reemplazara a la rueda hidráulica y a los caballos como principales fuentes de energía para la industria británica, liberándola así de 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 Watt más antigua que se conserva es la Old Bess de 1777, ahora en el Museo de Ciencias de Londres . El motor en funcionamiento más antiguo del mundo es el motor Smethwick , puesto en servicio en mayo de 1779 y ahora en el Thinktank de Birmingham (anteriormente en el ahora desaparecido Museo de Ciencia e Industria de Birmingham ). El más antiguo que aún se encuentra en su casa de máquinas original y aún capaz de realizar el trabajo para el que fue instalado es el motor Boulton and Watt de 1812 en la estación de bombeo de Crofton en Wiltshire . Se utilizó para bombear agua para el canal Kennet y Avon ; ciertos fines de semana del año las bombas modernas se apagan y las dos máquinas de vapor de Crofton todavía realizan esta función. La máquina de vapor rotativa más antigua que existe, la Whitbread Engine (de 1785, la tercera máquina rotativa jamás construida), se encuentra en el Powerhouse Museum de Sydney, 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 ferretería Netherton de MW Grazebrook, ahora decora Dartmouth Circus , una isla de tráfico al inicio de la A38 ( M) autopista en Birmingham.
El Museo Henry Ford en Dearborn, Michigan, alberga una réplica de un motor rotativo de 1788 vatios. Es 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 alberga un motor de bomba atmosférica Boulton and Watt original, utilizado originalmente para el bombeo de canales en 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 luego 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. Al ser un motor atmosférico, no tenía caldera presurizada. Estaba destinado a pequeñas empresas. [22]
El motor de expansión de Watt generalmente se considera de interés histórico únicamente. Sin embargo, hay algunos avances recientes que pueden conducir a un renacimiento de la tecnología. Hoy en día, la industria genera una enorme cantidad de vapor y calor residual con temperaturas entre 100 y 150 °C. Además, los colectores solares, las fuentes de energía geotérmica y los reactores de biomasa producen calor en este rango de temperaturas. Existen tecnologías para utilizar 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 6 a 20 bares, por lo que todo el sistema tiene que estar completamente sellado.
En este caso, el Expansion Engine puede ofrecer importantes ventajas, especialmente para potencias más bajas, de 2 a 100 kW: con relaciones de expansión de 1:5, la eficiencia teórica alcanza el 15%, lo que se encuentra en el rango de los sistemas ORC. El motor de expansión utiliza agua como fluido de trabajo, que es simple, económico, no tóxico, no inflamable y no corrosivo. Funciona a presiones cercanas y inferiores a la atmosférica, por lo que el sellado no es un problema. Y es una máquina sencilla, lo que implica rentabilidad. Investigadores de la Universidad de Southampton (Reino Unido) están desarrollando actualmente una versión moderna del motor de Watt para generar energía a partir del vapor y el calor residuales. Mejoraron la teoría, demostrando 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 de motor experimental de 25 vatios. El motor incorpora expansión de vapor además de novedades 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 a mayor escala de 2 kW. [25]
Medios relacionados con las máquinas de vapor Watt en Wikimedia Commons
