Las mejoras a la máquina de vapor fueron algunas de las tecnologías más importantes de la Revolución Industrial , aunque el vapor no reemplazó en importancia a la energía hidráulica en Gran Bretaña hasta después de la Revolución Industrial. Desde la máquina atmosférica del inglés Thomas Newcomen , de 1712, hasta los importantes desarrollos del inventor e ingeniero mecánico escocés James Watt , la máquina de vapor comenzó a utilizarse en muchos entornos industriales, no sólo en la minería, donde las primeras máquinas se habían utilizado para bombear. agua de labores profundas. Los primeros molinos funcionaban con éxito con energía hidráulica, pero utilizando una máquina de vapor se podía ubicar una fábrica en cualquier lugar, no sólo cerca de una fuente de agua. La energía hidráulica variaba según las estaciones y no siempre estaba disponible.
En 1776, Watt formó una sociedad de ingeniería y construcción de motores con el fabricante Matthew Boulton . La asociación de Boulton & Watt se convirtió en una de las empresas más importantes de la Revolución Industrial y sirvió como una especie de centro técnico creativo para gran parte de la economía británica. Los socios resolvieron problemas técnicos y difundieron las soluciones a otras empresas. Empresas similares hicieron lo mismo en otras industrias y fueron especialmente importantes en la industria de las máquinas herramienta . Estas interacciones entre empresas fueron importantes porque redujeron la cantidad de tiempo de investigación y los gastos que cada empresa tenía que dedicar a trabajar con sus propios recursos. Los avances tecnológicos de la Revolución Industrial se produjeron más rápidamente porque las empresas a menudo compartían información, que luego podían utilizar para crear nuevas técnicas o productos. El desarrollo de la máquina de vapor estacionaria fue un elemento temprano muy importante de la Revolución Industrial. Sin embargo, debe recordarse que durante la mayor parte del período de la Revolución Industrial, la mayoría de las industrias todavía dependían de la energía eólica y hidráulica, así como de caballos y mano de obra para impulsar máquinas pequeñas.
El uso industrial de la energía de vapor comenzó con Thomas Savery en 1698. Construyó y patentó en Londres la primera máquina, a la que llamó "el amigo del minero", ya que pretendía bombear agua de las minas. Las primeras versiones utilizaban una caldera de cobre soldada que explotaba fácilmente a bajas presiones de vapor. Las versiones posteriores con caldera de hierro eran capaces de elevar el agua unos 46 metros (150 pies). El motor Savery no tenía partes móviles más que válvulas accionadas manualmente. El vapor, una vez admitido en el cilindro, se condensaba primero mediante un rociador externo de agua fría, creando así un vacío parcial que aspiraba agua a través de una tubería desde un nivel inferior; luego se abrieron y cerraron las válvulas y se aplicó una nueva carga de vapor directamente sobre la superficie del agua que ahora estaba en el cilindro, obligándola a subir por un tubo de salida que descargaba a un nivel más alto. El motor se utilizó como bomba de agua de baja elevación en algunas minas y en numerosas obras hidráulicas, pero no fue un éxito ya que tenía una altura de bombeo limitada y era propenso a explosiones en las calderas. [1]
La primera máquina de vapor mecánica práctica fue introducida por Thomas Newcomen en 1712. Newcomen aparentemente concibió su máquina independientemente de Savery, pero como este último había obtenido una patente de amplio alcance, Newcomen y sus asociados se vieron obligados a llegar a un acuerdo con él. comercializando el motor hasta 1733 bajo patente conjunta. [2] El motor de Newcomen parece haberse basado en los experimentos de Papin llevados a cabo 30 años antes, y empleaba un pistón y un cilindro, uno de los extremos de los cuales estaba abierto a la atmósfera sobre el pistón. Se introdujo vapor justo por encima de la presión atmosférica (todo lo que la caldera podía soportar) en la mitad inferior del cilindro debajo del pistón durante la carrera ascendente inducida por la gravedad; A continuación, el vapor se condensó mediante un chorro de agua fría inyectado en el espacio de vapor para producir un vacío parcial; el diferencial de presión entre la atmósfera y el vacío a ambos lados del pistón lo desplazó hacia abajo dentro del cilindro, levantando el extremo opuesto de una viga oscilante a la que estaba unido un grupo de bombas de fuerza alternativa accionadas por gravedad alojadas en el pozo de la mina . La carrera de potencia descendente del motor elevó la bomba, cebándola y preparando la carrera de bombeo. Al principio, las fases se controlaban a mano, pero al cabo de diez años se había ideado un mecanismo de escape accionado por un árbol de enchufe vertical suspendido de la viga oscilante que hacía que el motor actuara por sí solo.
En Gran Bretaña se utilizaron con éxito varios motores Newcomen para drenar minas profundas hasta entonces impracticables, con el motor en la superficie; Eran máquinas grandes, que requerían mucho capital para su construcción y producían alrededor de 5 CV. Eran extremadamente ineficientes según los estándares modernos, pero cuando se ubicaron donde el carbón era barato en las bocas de los pozos, abrieron una gran expansión en la minería del carbón al permitir que las minas fueran más profundas. A pesar de sus desventajas, los motores Newcomen eran fiables y fáciles de mantener y continuaron utilizándose en las minas de carbón hasta las primeras décadas del siglo XIX. En 1729, cuando murió Newcomen, sus máquinas se habían extendido a Francia , Alemania , Austria , Hungría y Suecia . Se sabe que en 1733, cuando expiró la patente conjunta, se construyeron un total de 110, de los cuales 14 se encontraban en el extranjero. En la década de 1770, el ingeniero John Smeaton construyó algunos ejemplares muy grandes e introdujo una serie de mejoras. Hasta 1800 se habían construido un total de 1.454 motores.
James Watt provocó un cambio fundamental en los principios de trabajo . Con la estrecha colaboración de Matthew Boulton , hacia 1778 había logrado perfeccionar su máquina de vapor que incorporaba una serie de mejoras radicales; en particular, el uso de una camisa de vapor alrededor del cilindro para mantenerlo a la temperatura del vapor y, lo más importante, una cámara de condensador de vapor separada de la cámara del pistón. Estas mejoras aumentaron la eficiencia del motor en un factor de aproximadamente cinco, ahorrando un 75% en costos de carbón.
En aquel momento, la máquina Newcomen no podía adaptarse fácilmente para impulsar una rueda giratoria, aunque Wasborough y Pickard lograron hacerlo alrededor de 1780. Sin embargo, en 1783 la máquina de vapor Watt, más económica, se había desarrollado completamente hasta convertirse en una máquina de doble motor. De tipo rotativo de acción con gobernador centrífugo , movimiento paralelo y volante , lo que significaba que podía usarse para accionar directamente la maquinaria rotativa de una fábrica o molino. Ambos tipos de motores básicos de Watt tuvieron mucho éxito comercial.
En 1800, la empresa Boulton & Watt había construido 496 motores, con 164 accionando bombas alternativas, 24 sirviendo a altos hornos y 308 accionando maquinaria de molino; la mayoría de los motores generaban de 5 a 10 hp. Una estimación de la potencia total que podrían producir todos estos motores era de unos 11.200 CV. Esto todavía era sólo una fracción de la capacidad total de generación de energía en Gran Bretaña mediante ruedas hidráulicas (120.000 hp) y molinos de viento (15.000 hp); sin embargo, la energía hidráulica y eólica variaron según la estación. [3] Newcomen y otras máquinas de vapor generaban al mismo tiempo unos 24.000 CV. James Watt inventó la máquina de vapor en 1770.
El desarrollo de máquinas herramienta , como los tornos , las cepilladoras y las perfiladoras propulsadas por estos motores, permitió cortar con facilidad y precisión todas las partes metálicas de los motores y a su vez permitió construir motores más grandes y potentes. [4]
A principios del siglo XIX, tras la expiración de la patente de Boulton & Watt en 1800, la máquina de vapor experimentó grandes aumentos de potencia debido al uso de vapor a mayor presión, que Watt siempre había evitado por el peligro de explosión de las calderas, que se encontraban en un estado de desarrollo muy primitivo. [4] [5]
Hasta aproximadamente 1800, el modelo más común de máquina de vapor era la máquina de viga , construida como parte integral de una casa de máquinas de piedra o ladrillo, pero pronto se desarrollaron varios modelos de máquinas portátiles autónomas (fácilmente desmontables, pero sin ruedas). desarrollado, como el motor de mesa . Una mayor disminución de tamaño debido al uso de mayor presión se produjo hacia finales del siglo XVIII, cuando el ingeniero de Cornualles Richard Trevithick y el ingeniero estadounidense Oliver Evans comenzaron a construir de forma independiente motores de mayor presión (alrededor de 40 libras por pulgada cuadrada (2,7 atm )). que se agotaba en la atmósfera, aunque Arthur Wolf, que trabajaba en la cervecería Meux de Londres, ya estaba experimentando con vapor a mayor presión en sus esfuerzos por ahorrar carbón. Esto permitió combinar un motor y una caldera en una sola unidad lo suficientemente compacta y liviana como para usarse en locomotoras móviles de carretera y ferrocarril y en barcos de vapor . [4]
Trevithick era un hombre de talentos versátiles y sus actividades no se limitaban a pequeñas aplicaciones. Trevithick desarrolló su gran caldera de Cornualles con un conducto de humos interno aproximadamente en 1812. También se emplearon para mejorar varios motores de bombeo Watt; En ese momento, Arthur Wolf ya había producido motores de alta presión mientras trabajaba en la cervecería Meux, en sus esfuerzos por mejorar la eficiencia, ahorrando así carbón, ya que Joseph Bramah lo había entrenado en el arte del control de calidad, lo que lo llevó a convertirse en jefe. ingeniero de Harveys of Hayle en Cornwall, con diferencia el mayor y principal fabricante de máquinas de vapor del mundo.
El motor de Cornualles se desarrolló en la década de 1810 para bombear minas en Cornualles. Fue el resultado de utilizar el escape de un motor de alta presión para impulsar un motor de condensación. El motor de Cornualles se destacó por su eficiencia relativamente alta.
La última mejora importante de la máquina de vapor fue la máquina Corliss . [6] Esta máquina de vapor estacionaria , que lleva el nombre de su inventor, George Henry Corliss , se presentó al mundo en 1849. La máquina contaba con una serie de características deseadas, incluida la eficiencia del combustible (reduciendo el costo del combustible en un tercio o más), bajo mantenimiento. costos, un 30% más de tasa de producción de energía, alta eficiencia térmica y la capacidad de operar bajo cargas livianas, pesadas o variables mientras se mantiene una alta velocidad y una velocidad constante. [7] [8] [9] [10] Si bien el motor se basó libremente en las máquinas de vapor existentes, manteniendo el diseño simple de pistón y volante, la mayoría de estas características fueron provocadas por las válvulas y engranajes de válvulas exclusivos del motor. A diferencia de la mayoría de los motores empleados durante la época que utilizaban principalmente engranajes de válvulas deslizantes , Corliss creó su propio sistema que usaba una placa de muñeca para controlar varias válvulas diferentes. Cada cilindro estaba equipado con cuatro válvulas, con válvulas de admisión y de escape en ambos extremos del cilindro. [4] A través de una serie de eventos ajustados con precisión que abren y cierran estas válvulas, el vapor se admite y se libera a una velocidad precisa, lo que permite el movimiento lineal del pistón. Esto proporcionó la característica más notable del motor, el mecanismo de corte variable automático. [11] Este mecanismo es lo que permitió que el motor mantuviera una velocidad establecida en respuesta a cargas variables sin perder eficiencia, calarse o dañarse. Usando una serie de engranajes de leva , que podían ajustar la sincronización de las válvulas (esencialmente actuando como un acelerador), se ajustó la velocidad y los caballos de fuerza del motor. Esto resultó extremadamente útil para la mayoría de las aplicaciones del motor. En la industria textil , permitió la producción a velocidades mucho más altas y al mismo tiempo redujo la probabilidad de que los hilos se rompieran. [8] [12] En metalurgia , las variaciones extremas y abruptas de carga experimentadas en los laminadores también fueron contrarrestadas por la tecnología. Estos ejemplos demuestran que el motor Corliss pudo lograr tasas de producción mucho más altas, evitando al mismo tiempo daños costosos a la maquinaria y los materiales. Se la denominó “la regulación de velocidad más perfecta”. [13]
Corliss mantuvo un registro detallado de la producción, la potencia colectiva y las ventas de sus motores hasta que expiró la patente . [13] Hizo esto por varias razones, incluido el seguimiento de aquellos que infringieron los derechos de patente, los detalles de mantenimiento y actualización, y especialmente como datos utilizados para extender la patente. Con estos datos se consigue una comprensión más clara de la influencia del motor. En 1869, se habían vendido casi 1.200 motores, con un total de 118.500 caballos de fuerza. Se estima que otros 60.000 caballos de fuerza estaban siendo utilizados por motores creados por fabricantes que infringían la patente de Corliss, lo que elevaba la potencia total a aproximadamente 180.000. [8] Este número relativamente pequeño de motores produjo el 15% del total de 1,2 millones de caballos de fuerza de Estados Unidos. [14] La potencia media de todas las máquinas Corliss en 1870 era 100, mientras que la media de todas las máquinas de vapor (incluidas las máquinas Corliss) era 30. Algunas máquinas muy grandes incluso permitían aplicaciones de hasta 1.400 caballos de fuerza. Muchos estaban convencidos de los beneficios del motor Corliss, pero su adopción fue lenta debido a la protección de patentes. Cuando a Corliss se le negó una extensión de patente en 1870, se convirtió en un modelo predominante para motores estacionarios en el sector industrial . [8] A finales del siglo XIX, el motor ya estaba teniendo una gran influencia en el sector manufacturero, donde constituía sólo el 10% de los motores del sector, pero producía el 46% de los caballos de fuerza. [14] El motor también se convirtió en un modelo de eficiencia fuera de la industria textil, ya que se utilizó para bombear las vías fluviales de Pawtucket, Rhode Island en 1878, y jugó un papel esencial en la expansión del ferrocarril al permitir muy grandes- operaciones a escala en laminadores. [6] [8] Muchas máquinas de vapor del siglo XIX han sido reemplazadas, destruidas o reutilizadas, pero la longevidad del motor Corliss es evidente hoy en destilerías seleccionadas, donde todavía se utilizan como fuente de energía. [15]
A mediados de la década de 1750, la máquina de vapor se aplicó a las industrias del hierro, el cobre y el plomo, que dependían de la energía hidráulica, para accionar los fuelles de explosión. Estas industrias estaban ubicadas cerca de las minas, algunas de las cuales utilizaban máquinas de vapor para el bombeo de minas. Las máquinas de vapor eran demasiado potentes para los fuelles de cuero, por lo que en 1768 se desarrollaron cilindros de soplado de hierro fundido. Los altos hornos accionados por vapor alcanzaban temperaturas más altas, lo que permitía el uso de más cal en la alimentación de hierro de los altos hornos. ( La escoria rica en cal no fluía libremente a las temperaturas utilizadas anteriormente). Con una proporción de cal suficiente, el azufre del carbón o del combustible de coque reacciona con la escoria de modo que el azufre no contamina el hierro. El carbón y el coque eran combustibles más baratos y abundantes. Como resultado, la producción de hierro aumentó significativamente durante las últimas décadas del siglo XVIII. [dieciséis]
La energía hidráulica , la fuente de energía anterior en el mundo, continuó siendo una fuente de energía esencial incluso durante el apogeo de la popularidad de las máquinas de vapor . [17] Sin embargo, la máquina de vapor proporcionó muchos beneficios que no podrían lograrse dependiendo únicamente de la energía hidráulica, lo que le permitió convertirse rápidamente en la fuente de energía dominante de las naciones industrializadas (aumentando del 5% al 80% de la energía total en el mundo). Estados Unidos de 1838 a 1860). [18] Mientras que muchos consideran que el potencial de un aumento en la energía generada es el beneficio dominante (con la potencia promedio de los molinos de vapor produciendo cuatro veces la potencia de los molinos de agua ), otros favorecen el potencial de aglomeración . [19] [20] Las máquinas de vapor permitieron trabajar, producir, comercializar, especializarse fácilmente, expandirse de manera viable hacia el oeste sin tener que preocuparse por la presencia menos abundante de vías fluviales y vivir en comunidades que no estaban aisladas geográficamente en las proximidades de los ríos. y arroyos. [8] Las ciudades y pueblos ahora se construyeron alrededor de fábricas donde las máquinas de vapor servían como base para el sustento de muchos de los ciudadanos. Al promover la aglomeración de individuos, se establecieron mercados locales que a menudo tuvieron un éxito impresionante, las ciudades crecieron rápidamente y finalmente se urbanizaron , la calidad de vida aumentó a medida que se instaló la infraestructura , se pudieron producir bienes más finos a medida que la adquisición de materiales se hizo menos difícil. y la costosa competencia local directa condujo a mayores grados de especialización, y la mano de obra y el capital abundaban. [7] En algunos condados donde los establecimientos utilizaban energía de vapor, incluso se vio que aumentaba el crecimiento de la población . [21] Estas ciudades impulsadas por vapor fomentaron el crecimiento a escala local y nacional, validando aún más la importancia económica de la máquina de vapor.
Este período de crecimiento económico, iniciado con la introducción y adopción del barco de vapor, fue uno de los mayores jamás experimentados en Estados Unidos. Robert Fulton, Robert Livingston y Henry Shreve contribuyeron enormemente a la introducción del barco de vapor [22] al público estadounidense. Alrededor de 1815, los barcos de vapor comenzaron a reemplazar a las barcazas y a las lanchas en el transporte de mercancías por los Estados Unidos. Antes del barco de vapor, los ríos generalmente solo se usaban para transportar mercancías de este a oeste y de norte a sur, ya que luchar contra la corriente era muy difícil y, a menudo, imposible. [23] Los botes y balsas sin motor se ensamblaban río arriba, transportaban su carga río abajo y, a menudo, eran desmontados al final de su viaje; y sus restos se utilizan para construir viviendas y edificios comerciales. Tras la llegada del barco de vapor, Estados Unidos experimentó un crecimiento increíble en el transporte de mercancías y personas, lo que fue clave en la expansión hacia el oeste. Antes del barco de vapor, se podían tardar entre tres y cuatro meses en hacer el trayecto de Nueva Orleans a Louisville, con un promedio de veinte millas por día. [23] Con el barco de vapor este tiempo se redujo drásticamente con viajes que oscilaban entre veinticinco y treinta y cinco días. Esto fue especialmente beneficioso para los agricultores, ya que ahora sus cultivos podían transportarse a otros lugares para venderse.
El barco de vapor también permitió una mayor especialización. El azúcar y el algodón se enviaban al norte, mientras que productos como aves, cereales y carne de cerdo se enviaban al sur. Desafortunadamente, el barco de vapor también ayudó en el comercio interno de esclavos. [24]
Con el barco de vapor surgió la necesidad de mejorar el sistema fluvial. El sistema fluvial natural tenía características que no eran compatibles con los viajes en barco de vapor o que solo estaban disponibles durante ciertos meses cuando los ríos estaban más altos. Algunos obstáculos incluyeron rápidos, bancos de arena, aguas poco profundas y cascadas. Para superar estos obstáculos naturales, se construyó una red de canales, esclusas y presas. Esta mayor demanda de mano de obra impulsó un enorme crecimiento del empleo a lo largo de los ríos. [25]
Los beneficios económicos del barco de vapor se extendieron mucho más allá de la construcción de los propios barcos y de las mercancías que transportaban. Estos barcos impulsaron directamente el crecimiento de las industrias del carbón y de los seguros, además de crear una demanda de instalaciones de reparación a lo largo de los ríos. [26] Además, la demanda de bienes en general aumentó a medida que el barco de vapor hizo que el transporte a nuevos destinos fuera amplio y eficiente.
Después de que se inventó el barco de vapor y se lograron varias pruebas exitosas, fue rápidamente adoptado y condujo a un cambio aún más rápido en la forma de transporte acuático .
En 1814, la ciudad de Nueva Orleans registró 21 llegadas de barcos de vapor, pero en el transcurso de los 20 años siguientes ese número se disparó a más de 1200. Se aseguró el papel de los barcos de vapor como importante fuente de transporte. [27] El sector del transporte experimentó un enorme crecimiento tras la aplicación de la máquina de vapor, lo que dio lugar a importantes innovaciones en canales , barcos de vapor y ferrocarriles . El sistema de barcos de vapor y canales revolucionó el comercio de los Estados Unidos. A medida que los barcos de vapor ganaron popularidad, creció el entusiasmo por la construcción de canales .
En 1816, Estados Unidos tenía sólo 100 millas de canales . Sin embargo, esto tenía que cambiar, ya que el aumento potencial de los bienes comercializados de este a oeste convenció a muchos de que los canales eran una conexión necesaria entre las vías fluviales Mississippi - Ohio con los Grandes Lagos .
El uso de máquinas de vapor en los ferrocarriles demostró ser extraordinario en el hecho de que ahora se podían enviar grandes cantidades de bienes y materias primas tanto a las ciudades como a las fábricas. Los trenes podrían llevarlos a lugares lejanos por una fracción del coste de viajar en vagón. Las vías del ferrocarril, que ya se utilizaban en las minas y en otras situaciones, se convirtieron en el nuevo medio de transporte después de la invención de la primera locomotora.
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