El motor atmosférico fue inventado por Thomas Newcomen en 1712 y a menudo se lo conoce como camión de bomberos Newcomen (ver más abajo) o simplemente como motor Newcomen . El motor funcionaba condensando vapor aspirado hacia el cilindro, creando así un vacío parcial que permitía que la presión atmosférica empujara el pistón hacia el cilindro. Fue históricamente significativo como el primer dispositivo práctico para aprovechar el vapor para producir trabajo mecánico . [1] [2] Los motores Newcomen se utilizaron en toda Gran Bretaña y Europa , principalmente para bombear agua fuera de las minas . Se construyeron cientos a lo largo del siglo XVIII.
El diseño posterior del motor de James Watt fue una versión mejorada del motor Newcomen que aproximadamente duplicó la eficiencia del combustible . Muchos motores atmosféricos se convirtieron al diseño Watt, por un precio que se basaba en una fracción del ahorro de combustible. Como resultado, Watt es hoy más conocido que Newcomen en relación con el origen de la máquina de vapor .
Antes de Newcomen se habían fabricado varios pequeños dispositivos de vapor de diversos tipos, pero la mayoría eran esencialmente novedades. [3] Alrededor de 1600, varios experimentadores utilizaron vapor para alimentar pequeñas fuentes que funcionaban como una cafetera . Primero se llenó un recipiente con agua a través de una tubería, que se extendía desde la parte superior del recipiente hasta casi el fondo. El fondo de la tubería quedaría sumergido en el agua, haciendo que el recipiente fuera hermético. Luego se calentó el recipiente para hacer hervir el agua. El vapor generado presurizó el recipiente, pero el tubo interior, sumergido en el fondo por el líquido, y carente de cierre hermético en la parte superior, permaneció a menor presión; El vapor en expansión obligó al agua del fondo del recipiente a entrar y subir por la tubería para salir a borbotones por una boquilla en la parte superior. Estos dispositivos tenían una eficacia limitada pero ilustraban la viabilidad del principio.
En 1606, el español Jerónimo de Ayanz y Beaumont hizo una demostración 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 . [4]
En 1662, Edward Somerset, segundo marqués de Worcester , publicó un libro que contenía varias ideas en las que había estado trabajando. [5] Uno era para una bomba de vapor para suministrar agua a las fuentes; el dispositivo utilizaba alternativamente un vacío parcial y presión de vapor. Se llenaron alternativamente dos recipientes con vapor y luego se rociaron con agua fría haciendo que el vapor del interior se condensara; esto produjo un vacío parcial que arrastraría agua a través de una tubería desde un pozo hasta el contenedor. Luego, una nueva carga de vapor bajo presión impulsó el agua del contenedor por otra tubería hasta un cabezal de nivel superior antes de que el vapor se condensara y el ciclo se repitiera. Al trabajar los dos contenedores alternativamente, se podría aumentar la velocidad de entrega al tanque colector.
En 1698, Thomas Savery patentó una bomba de vapor a la que llamó "el amigo del minero", [6] esencialmente idéntica al diseño de Somerset y casi con certeza una copia directa. [ cita necesaria ] El proceso de enfriamiento y creación de vacío fue bastante lento, por lo que Savery luego agregó un rociador externo de agua fría para enfriar rápidamente el vapor.
La invención de Savery no puede considerarse estrictamente como la primera "máquina" de vapor, ya que no tenía partes móviles y no podía transmitir su potencia a ningún dispositivo externo. Evidentemente había grandes esperanzas en el Amigo del Minero, lo que llevó al Parlamento a extender la vida de la patente por 21 años, de modo que la patente de 1699 no expiraría hasta 1733. Desafortunadamente, el dispositivo de Savery resultó mucho menos exitoso de lo que se esperaba.
Un problema teórico con el dispositivo de Savery surgió del hecho de que una aspiradora sólo podía elevar el agua hasta una altura máxima de unos 30 pies (9 m); A esto se podrían agregar otros 40 pies (12 m), aproximadamente, elevados por la presión del vapor. Esto era insuficiente para bombear agua de una mina. En el folleto de Savery, sugiere colocar la caldera y los contenedores en una repisa en el pozo de la mina e incluso una serie de dos o más bombas para niveles más profundos. Obviamente, se trataba de soluciones inconvenientes y era deseable algún tipo de bomba mecánica que funcionara a nivel de la superficie, una que elevara el agua directamente en lugar de "succionarla". Este tipo de bombas ya eran comunes, impulsadas por caballos, pero requerían un accionamiento vertical alternativo que el sistema de Savery no proporcionaba. El problema más práctico se refería a tener una caldera funcionando bajo presión, como se demostró cuando explotó la caldera de una máquina en Wednesbury , quizás en 1705.
Louis Figuier en su monumental obra [7] ofrece una cita completa del artículo de Denis Papin publicado en 1690 en Acta eruditorum de Leipzig, titulado "Nouvelle méthode pour obtenir à bas prix des force considérables" (Un nuevo método para obtener fuerzas considerables a bajo precio). ). Parece que a Papin se le ocurrió la idea mientras trabajaba con Robert Boyle en la Royal Society de Londres. Papin describe primero verter una pequeña cantidad de agua en el fondo de un cilindro vertical, insertar un pistón en una varilla y después de evacuar primero el aire debajo del pistón, colocar un fuego debajo del cilindro para hervir el agua y crear suficiente presión de vapor para levante el pistón hasta el extremo superior del cilindro. Luego, el pistón se bloqueó temporalmente en la posición superior mediante un pestillo de resorte que encajaba en una muesca en la varilla. Luego se eliminó el fuego, permitiendo que el cilindro se enfriara, lo que condensó el vapor nuevamente en agua, creando así un vacío debajo del pistón. Al extremo del vástago del pistón se le ataba una cuerda que pasaba sobre dos poleas y un peso colgaba del extremo de la cuerda. Al soltar el pestillo, el pistón fue bruscamente arrastrado hacia el fondo del cilindro por la diferencia de presión entre la atmósfera y el vacío creado; De este modo se generó suficiente fuerza para levantar un peso de 27 kg (60 lb). "Varios de sus artículos se presentaron ante la Royal Society entre 1707 y 1712 [incluida] una descripción de su máquina de vapor atmosférica de 1690, similar a la construida y [posteriormente] puesta en uso por Thomas Newcomen en 1712". [8]
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Newcomen llevó adelante el experimento de Papin y lo hizo viable, aunque existe poca información sobre cómo se produjo exactamente. El principal problema al que Papin no había dado solución era cómo hacer que la acción fuera repetible a intervalos regulares. El camino a seguir era proporcionar, como había hecho Savery, una caldera capaz de asegurar la continuidad del suministro de vapor al cilindro, proporcionar la carrera de potencia de vacío condensando el vapor y eliminar el agua una vez condensada. El pistón de potencia estaba colgado mediante cadenas del extremo de una viga oscilante. A diferencia del dispositivo de Savery, el bombeo era enteramente mecánico, siendo el trabajo de la máquina de vapor levantar una varilla con peso colgada del extremo opuesto de la viga oscilante. La varilla descendió por el pozo de la mina por gravedad e impulsó una bomba de fuerza, o una bomba de poste (o más a menudo un grupo de dos) dentro del pozo de la mina. La carrera de succión de la bomba era solo durante la carrera ascendente (cebado), en consecuencia ya no había la restricción de 30 pies de una bomba de vacío y el agua podía ser forzada a subir por una columna desde profundidades mucho mayores. La caldera suministraba vapor a una presión extremadamente baja y al principio estaba situada inmediatamente debajo del cilindro de potencia, pero también podía colocarse detrás de una pared divisoria con un tubo de vapor de conexión. Para que todo esto funcionara se necesitaba la habilidad de un ingeniero práctico; El oficio de Newcomen como "ferretero" o comerciante de metales le habría dado un conocimiento práctico significativo sobre qué materiales serían adecuados para tal motor y lo habría puesto en contacto con personas que tenían conocimientos aún más detallados.
Los primeros ejemplos de los que existen registros confiables fueron dos motores en Black Country , de los cuales el más famoso fue el erigido en 1712 en Conygree Coalworks en Bloomfield Road Tipton , ahora el sitio de "The Angle Ring Company Limited", Tipton . [9] Este es generalmente aceptado como el primer motor Newcomen exitoso y seguido por uno construido a una milla y media al este de Wolverhampton . Ambos fueron utilizados por Newcomen y su socio John Calley para bombear minas de carbón llenas de agua. Hoy en día se puede ver una réplica en funcionamiento en el cercano Black Country Living Museum , que se encuentra en otra parte de lo que fue el parque Conygree de Lord Dudley . Otra locomotora de Newcomen estaba en Cornualles . Su ubicación es incierta, pero se sabe que había uno en funcionamiento en la mina Wheal Vor en 1715. [10] Pronto llegaron pedidos de minas húmedas de toda Inglaterra, y algunos han sugerido que la noticia de su logro se difundió a través de su Bautista conexiones. Dado que la patente de Savery aún no había caducado, Newcomen se vio obligado a llegar a un acuerdo con Savery y operar bajo la patente de este último, ya que su plazo era mucho más largo de lo que cualquier Newcomen podría haber obtenido fácilmente. Durante los últimos años de su vigencia, la patente perteneció a una empresa no constituida en sociedad, Los Propietarios de la Invención para extraer agua mediante fuego .
Aunque su primer uso fue en zonas mineras de carbón, el motor de Newcomen también se utilizó para bombear agua de las minas de metal en su West Country natal, como las minas de estaño de Cornwall. En el momento de su muerte, Newcomen y otros habían instalado más de cien de sus motores, no sólo en West Country y Midlands sino también en el norte de Gales, cerca de Newcastle y en Cumbria. Se construyeron pequeñas cantidades en otros países europeos, incluidos Francia, Bélgica, España y Hungría, también en Dannemora, Suecia . En 2010 se encontró evidencia del uso de una máquina de vapor Newcomen asociada con las primeras minas de carbón en Midlothian, Virginia (sitio de algunas de las primeras minas de carbón en los EE. UU.). (Encuesta de Dutton and Associates del 24 de noviembre de 2009).
Aunque se basaba en principios simples, el motor de Newcomen era bastante complejo y mostraba signos de desarrollo incremental, y los problemas se abordaban empíricamente a medida que surgían. Consistía en una caldera A , normalmente una caldera de pajar, situada directamente debajo del cilindro. Esto produjo grandes cantidades de vapor a muy baja presión, no más de 1 a 2 psi (0,07 a 0,14 bar), la presión máxima permitida para una caldera que en versiones anteriores estaba hecha de cobre con una parte superior abovedada de plomo y luego ensamblada enteramente de pequeñas placas de hierro remachadas. La acción del motor se transmitía a través de una "gran viga equilibrada" oscilante , cuyo punto de apoyo E descansaba sobre la muy sólida pared del hastial de la casa de máquinas construida expresamente con el lado de la bomba sobresaliendo hacia el exterior del edificio, estando el motor ubicado internamente . Las varillas de la bomba estaban suspendidas mediante una cadena desde la cabeza del arco F de la gran viga. Del cabezal de arco interno D estaba suspendido un pistón P que trabajaba en un cilindro B , cuyo extremo superior estaba abierto a la atmósfera encima del pistón y el extremo inferior cerrado, además del corto tubo de admisión que conecta el cilindro con el caldera; Los primeros cilindros estaban hechos de latón fundido, pero pronto se descubrió que el hierro fundido era más eficaz y mucho más barato de producir. El pistón estaba rodeado por una junta en forma de anillo de cuero, pero como el orificio del cilindro estaba acabado a mano y no era del todo exacto, había que mantener constantemente una capa de agua encima del pistón. Instalado en lo alto de la sala de máquinas había un tanque de agua C (o tanque colector ) alimentado por una pequeña bomba interna suspendida de un cabezal arqueado más pequeño. El tanque colector suministraba agua fría a presión a través de un tubo vertical para condensar el vapor en el cilindro con un pequeño ramal que suministraba el agua de sellado del cilindro; en cada carrera superior del pistón, el exceso de agua tibia de sellado se desbordaba por dos tuberías, una hacia el pozo interno y la otra para alimentar la caldera por gravedad.
El equipo de la bomba era más pesado que el pistón de vapor, por lo que la posición de la viga en reposo era del lado de la bomba hacia abajo/del motor hacia arriba, lo que se denominó "fuera de casa".
Para arrancar el motor, se abrió la válvula reguladora V y se admitió vapor en el cilindro desde la caldera, llenando el espacio debajo del pistón. Luego se cerró la válvula reguladora y la válvula de inyección de agua V' se abrió y cerró brevemente, enviando un chorro de agua fría al cilindro. Esto condensó el vapor y creó un vacío parcial debajo del pistón. El diferencial de presión entre la atmósfera sobre el pistón y el vacío parcial debajo impulsó el pistón hacia abajo generando la carrera de potencia , trayendo la viga "dentro de la casa" y elevando el engranaje de la bomba.
Luego se reingresó vapor al cilindro, destruyendo el vacío y empujando el condensado por el tubo de hundimiento o "educción". A medida que el vapor a baja presión de la caldera fluía hacia el cilindro, el peso de la bomba y el engranaje devolvían la viga a su posición inicial mientras al mismo tiempo impulsaba el agua hacia arriba desde la mina.
Este ciclo se repitió alrededor de 12 veces por minuto.
Newcomen descubrió que su primer motor dejaba de funcionar después de un tiempo y finalmente descubrió que esto se debía a que pequeñas cantidades de aire ingresaban al cilindro con el vapor. El agua suele contener algo de aire disuelto, y al hervir el agua se libera con el vapor. Este aire no pudo ser condensado por el rocío de agua y se acumuló gradualmente hasta que el motor quedó "bloqueado por el viento". Para evitar esto, se incluyó una válvula de liberación llamada "snifting clack" o válvula de snifter cerca de la parte inferior del cilindro. Este se abrió brevemente cuando se admitió vapor por primera vez y se expulsó gas no condensable del cilindro. Su nombre se deriva del ruido que hacía cuando funcionaba para liberar el aire y el vapor "como un hombre resfriado". [11]
En las primeras versiones, las válvulas o tapones , como se las llamaba entonces, eran accionadas manualmente por el hombre de la tapa , pero la acción repetitiva exigía una sincronización precisa, lo que hacía deseable la acción automática. Este se obtenía mediante un árbol de tapón que era una viga suspendida verticalmente a lo largo del cilindro desde una pequeña cabeza de arco mediante cadenas cruzadas, siendo su función abrir y cerrar las válvulas automáticamente cuando la viga alcanzaba determinadas posiciones, mediante taqués y escape. Mecanismos que utilizan pesas. En el motor 1712, la bomba de alimentación de agua estaba unida a la parte inferior del árbol del tapón, pero los motores posteriores tenían la bomba suspendida afuera de un pequeño arco separado. Existe una leyenda común que dice que en 1713 un gallo llamado Humphrey Potter, [12] cuyo deber era abrir y cerrar las válvulas de un motor al que atendía, hizo que el motor actuara por sí solo haciendo que la propia viga abriera y cerrara la válvula. válvulas mediante cordones y cierres adecuados [13] (conocido como "cordón de alfarero"); [14] sin embargo, el dispositivo de árbol de enchufe (la primera forma de engranaje de válvulas ) probablemente fue una práctica establecida antes de 1715, y está claramente representado en las primeras imágenes conocidas de motores Newcomen por Henry Beighton (1717) [15] (que Hulse cree que representan la locomotora de la mina de carbón Griff de 1714) y por Thomas Barney (1719) (que representa la locomotora del Castillo Dudley de 1712). Debido a la gran demanda de vapor, el motor tenía que pararse y reiniciarse periódicamente, pero incluso este proceso se automatizaba mediante una boya que subía y bajaba en un tubo vertical fijado a la caldera. La boya estaba unida al scoggen , una palanca con peso que bloqueaba la válvula de inyección de agua hasta que se elevaba más vapor.
La mayoría de las imágenes muestran sólo el lado del motor y no brindan información sobre las bombas. La opinión actual es que, al menos en los primeros motores, se utilizaban bombas de fuerza de peso muerto, siendo el trabajo del motor únicamente levantar el lado de la bomba para prepararlo para el siguiente golpe descendente de la bomba. Esta es la disposición utilizada para la réplica del Castillo Dudley, que efectivamente funciona a la velocidad indicada original de 12 golpes por minuto/10 galones imperiales (45 litros) levantados por golpe. Los motores Watt posteriores funcionaban con bombas de elevación impulsadas por la carrera del motor y es posible que las versiones posteriores del motor Newcomen también lo hicieran.
Hacia el final de su carrera, el motor atmosférico fue mejorado mucho en sus detalles mecánicos y proporciones por John Smeaton , quien construyó muchos motores grandes de este tipo durante la década de 1770. [13] La necesidad urgente de un motor que proporcionara movimiento giratorio se estaba haciendo sentir y Wasborough y Pickard lo hicieron con éxito limitado utilizando un motor Newcomen para impulsar un volante a través de una manivela . Aunque el principio de la manivela se conocía desde hacía mucho tiempo, Pickard logró obtener una patente de 12 años en 1780 para la aplicación específica de la manivela a las máquinas de vapor; Esto fue un revés para Boulton y Watt, quienes eludieron la patente al aplicar el movimiento del sol y los planetas a su avanzado motor rotativo de doble acción de 1782.
En 1725, la máquina Newcomen era de uso común en la minería, particularmente en las minas de carbón . Mantuvo su lugar con pocos cambios materiales durante el resto del siglo. El uso del motor Newcomen se amplió en algunos lugares para bombear el suministro de agua municipal; por ejemplo, la primera máquina Newcomen en Francia se construyó en Passy en 1726 para bombear agua desde el Sena hasta la ciudad de París. [16] También se utilizó para impulsar maquinaria indirectamente, devolviendo agua desde debajo de una rueda hidráulica a un depósito encima de ella, de modo que la misma agua pudiera volver a hacer girar la rueda. Uno de los primeros ejemplos de esto fue el de Coalbrookdale . En 1735 se instaló una bomba accionada por caballos para devolver el agua a la piscina sobre el antiguo alto horno. Este fue reemplazado por un motor Newcomen en 1742-1743. [17] Varios hornos nuevos construidos en Shropshire en la década de 1750 funcionaban de manera similar, incluidos los hornos Horsehay y Ketley y Madeley Wood o Bedlam Furnaces . [18] Este último no parece haber tenido un estanque encima del horno, sino simplemente un tanque al que se bombeaba el agua. En otras industrias, el bombeo con motor era menos común, pero Richard Arkwright utilizó un motor para proporcionar energía adicional a su fábrica de algodón . [19]
Se hicieron intentos de impulsar maquinaria con motores Newcomen, pero no tuvieron éxito, ya que el único golpe de potencia producía un movimiento muy entrecortado. [ cita necesaria ]
El principal problema del diseño de Newcomen era que utilizaba la energía de forma ineficiente y, por tanto, su funcionamiento era caro. Después de que el vapor de agua del interior se enfrió lo suficiente como para crear el vacío, las paredes del cilindro estaban lo suficientemente frías como para condensar parte del vapor cuando fue admitido durante la siguiente carrera de admisión. Esto significaba que se utilizaba una cantidad considerable de combustible sólo para calentar el cilindro hasta el punto en que el vapor comenzaría a llenarlo nuevamente. Como las pérdidas de calor estaban relacionadas con las superficies, mientras que el trabajo útil estaba relacionado con el volumen, los aumentos en el tamaño del motor aumentaron la eficiencia y los motores Newcomen se hicieron más grandes con el tiempo. Sin embargo, la eficiencia no importaba mucho en el contexto de una mina de carbón, donde el carbón estaba disponible libremente.
El motor de Newcomen sólo fue reemplazado cuando James Watt lo mejoró en 1769 para evitar este problema ( la Universidad de Glasgow le había pedido a Watt que reparara un modelo de motor Newcomen ; un modelo pequeño que exageraba el problema). En la máquina de vapor Watt , la condensación tenía lugar en una unidad condensadora exterior, unida al cilindro de vapor a través de un tubo. Cuando se abría una válvula en la tubería, el vacío en el condensador, a su vez, evacuaba la parte del cilindro debajo del pistón. Esto eliminó el enfriamiento de las paredes del cilindro principal y demás, y redujo drásticamente el uso de combustible. También permitió el desarrollo de un cilindro de doble acción , con carreras de potencia hacia arriba y hacia abajo, aumentando la cantidad de potencia del motor sin un gran aumento en el tamaño del motor.
El diseño de Watt, introducido en 1769, no eliminó inmediatamente los motores Newcomen. La vigorosa defensa de Watt de sus patentes resultó en el uso continuo del motor Newcomen en un esfuerzo por evitar el pago de regalías . Cuando sus patentes expiraron en 1800, hubo prisa por instalar motores Watt y los motores Newcomen quedaron eclipsados, incluso en las minas de carbón.
El Newcomen Memorial Engine se puede ver funcionando en la ciudad natal de Newcomen, Dartmouth , donde fue trasladado en 1963 por la Sociedad Newcomen. Se cree que data de 1725, cuando se instaló inicialmente en Griff Colliery cerca de Coventry. [20]
Se instaló un motor en una mina de carbón en Ashton-under-Lyne alrededor de 1760. [21] Conocido localmente como Fairbottom Bobs , ahora se conserva en el Museo Henry Ford en Dearborn, Michigan . [22]
El único motor de estilo Newcomen que aún existe en su ubicación original se encuentra en lo que ahora es el Elsecar Heritage Centre , cerca de Barnsley en South Yorkshire. Este fue probablemente el último motor de estilo Newcomen utilizado comercialmente, ya que funcionó desde 1795 hasta 1923. El motor se sometió a extensos trabajos de conservación, junto con su eje y su caja de máquinas originales, que se completaron en otoño de 2014.
Un ejemplo estático de un motor Newcomen se encuentra en el Museo de Ciencias . [23]
Un ejemplo estático de un motor Newcomen se encuentra en el Museo Nacional de Escocia . Anteriormente en Carrington Colliery en Kilmarnock . [24]
Un ejemplo, utilizado originalmente en Farme Colliery , se exhibe en Summerlee, Museo de la Vida Industrial Escocesa ; inusualmente se usaba para enrollar en lugar de bombear agua, y había estado en funcionamiento durante casi un siglo cuando se examinó in situ en 1902. [25] [26]
En 1986, se completó una réplica operativa a gran escala de la máquina de vapor Newcomen 1712 en el Black Country Living Museum en Dudley. [27] Es la única réplica funcional a tamaño real del motor que existe y se cree que está a un par de millas de distancia del sitio del primer motor completo, erigido en 1712. [28] El 'camión de bomberos' como como se conocía, es un impresionante edificio de ladrillo del que sobresale una viga de madera a través de una de las paredes. Unas varillas cuelgan del extremo exterior de la viga y accionan bombas en el fondo del pozo de la mina que elevan el agua a la superficie. El motor en sí es simple, con sólo una caldera, un cilindro, un pistón y válvulas de funcionamiento. Un fuego de carbón calienta el agua en la caldera, que es poco más que una cacerola cubierta, y el vapor generado pasa luego a través de una válvula al cilindro de latón que se encuentra encima de la caldera. El cilindro mide más de 2 metros de largo y 52 centímetros de diámetro. El vapor en el cilindro se condensa inyectando agua fría y el vacío debajo del pistón tira del extremo interior de la viga hacia abajo y hace que la bomba se mueva. [29]
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)El motor expuesto en Dartmouth fue donado por la Comisión de Transporte Británica a la Sociedad Newcomen en 1963 y construido dentro de una antigua subestación eléctrica.
Este motor en particular se construyó alrededor de 1725 en Griff Colliery, antes de trasladarse a otro lugar.
