El motor atmosférico fue inventado por Thomas Newcomen en 1712, y a menudo se lo conoce como el motor de bomberos de Newcomen (ver más abajo) o simplemente como un motor de Newcomen . El motor funcionaba condensando el vapor aspirado en 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 de Newcomen se utilizaron en toda Gran Bretaña y Europa , principalmente para bombear agua de las minas . Se construyeron cientos a lo largo del siglo XVIII.
El diseño posterior de motor de James Watt fue una versión mejorada del motor Newcomen que duplicaba aproximadamente la eficiencia del combustible . Muchos motores atmosféricos se adaptaron al diseño de 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 de percolador . Primero se llenaba un recipiente con agua a través de un tubo, que se extendía desde la parte superior del recipiente hasta casi el fondo. La parte inferior del tubo se sumergía en el agua, lo que hacía que el recipiente fuera hermético. Luego, el recipiente se calentaba para hacer hervir el agua. El vapor generado presurizaba el recipiente, pero el tubo interior, sumergido en el fondo por el líquido y sin un sello hermético en la parte superior, permanecía a una presión más baja; el vapor en expansión obligaba al agua del fondo del recipiente a entrar y subir por el tubo para salir a chorros 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 demostró y obtuvo una patente para una bomba de agua impulsada por vapor. La bomba se utilizó con éxito para drenar las minas inundadas de Guadalcanal, España . [4]
En 1662, Edward Somerset, segundo marqués de Worcester , publicó un libro que contenía varias ideas en las que había estado trabajando. [5] Una de ellas era una bomba impulsada por vapor para suministrar agua a las fuentes; el dispositivo utilizaba alternativamente un vacío parcial y presión de vapor. Dos contenedores se llenaban alternativamente con vapor y luego se rociaban con agua fría para hacer que el vapor en su interior se condensara; esto producía un vacío parcial que haría subir el agua a través de una tubería desde un pozo hasta el contenedor. Luego, una nueva carga de vapor bajo presión impulsaba el agua desde el contenedor por otra tubería hasta un colector de nivel superior antes de que ese vapor se condensara y el ciclo se repitiera. Al trabajar alternativamente con los dos contenedores, se podía aumentar la velocidad de entrega al tanque del colector.
En 1698, Thomas Savery patentó una bomba impulsada por vapor que llamó "Miner's Friend", [6] esencialmente idéntica al diseño de Somerset y casi con certeza una copia directa. [ cita requerida ] El proceso de enfriamiento y creación de vacío era bastante lento, por lo que Savery luego agregó un rociador externo de agua fría para enfriar rápidamente el vapor.
El invento 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 depositadas en el Miner's Friend, lo que llevó al Parlamento a ampliar la vigencia 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 había esperado.
Un problema teórico con el dispositivo de Savery se originó en el hecho de que el vacío sólo podía elevar el agua hasta una altura máxima de unos 30 pies (9 m); a esto se podían agregar otros 40 pies (12 m), más o menos, elevados por la presión del vapor. Esto era insuficiente para bombear agua fuera de una mina. En el panfleto 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, estas eran soluciones incómodas y era deseable algún tipo de bomba mecánica que funcionara a nivel de la superficie, una que levantara el agua directamente en lugar de "succionarla". Tales bombas ya eran comunes, impulsadas por caballos, pero requerían un accionamiento alternativo vertical que el sistema de Savery no proporcionaba. El problema más práctico era tener una caldera que funcionara bajo presión, como se demostró cuando la caldera de un motor en Wednesbury explotó , tal vez en 1705.
Louis Figuier, en su monumental obra [7], cita íntegramente el artículo de Denis Papin publicado en 1690 en Acta eruditorum en Leipzig, titulado "Nouvelle méthode pour obtenir à bas prix des strengths considérables" (Un nuevo método para obtener fuerzas considerables a bajo precio). Parece que la idea se le ocurrió a Papin mientras trabajaba con Robert Boyle en la Royal Society de Londres. Papin describe que primero vertía una pequeña cantidad de agua en el fondo de un cilindro vertical, insertaba un pistón en una varilla y, tras evacuar primero el aire debajo del pistón, colocaba un fuego debajo del cilindro para hervir el agua y crear suficiente presión de vapor para elevar el pistón hasta el extremo superior del cilindro. A continuación, el pistón se bloqueaba temporalmente en la posición superior mediante un cierre de resorte que se acoplaba a una muesca en la varilla. A continuación, se retiraba el fuego, lo que permitía que el cilindro se enfriara, lo que condensaba el vapor y lo convertía en agua, creando así un vacío debajo del pistón. Al final del vástago del pistón se ataba una cuerda que pasaba por dos poleas y de cuyo extremo colgaba un peso. Al soltar el cierre, el pistón descendía bruscamente hasta el fondo del cilindro debido a la diferencia de presión entre la atmósfera y el vacío creado; de esta forma se generaba suficiente fuerza para levantar un peso de 27 kg. "Varios de sus artículos fueron presentados ante la Royal Society entre 1707 y 1712 [incluida] una descripción de su máquina de vapor atmosférica de 1690, similar a la que construyó y [posteriormente] puso en uso 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 logró exactamente. El problema principal al que Papin no había dado solución era cómo hacer que la acción se pudiera repetir a intervalos regulares. El camino a seguir era proporcionar, como lo había hecho Savery, una caldera capaz de asegurar la continuidad del suministro de vapor al cilindro, proporcionando la carrera de potencia de vacío condensando el vapor y eliminando el agua una vez que se había condensado. El pistón de potencia estaba colgado mediante cadenas del extremo de una viga oscilante. A diferencia del dispositivo de Savery, el bombeo era completamente mecánico, y el trabajo de la máquina de vapor consistía en levantar una varilla con peso colgada del extremo opuesto de la viga oscilante. La varilla descendía por el pozo de la mina por gravedad y accionaba una bomba de fuerza, o bomba de pértiga (o, más a menudo, un grupo de dos) dentro del pozo de la mina. La carrera de succión de la bomba era sólo la longitud de la carrera ascendente (de cebado), por lo que ya no existía la restricción de 30 pies de una bomba de vacío y el agua podía ser impulsada hacia arriba por una columna desde profundidades mucho mayores. La caldera suministraba el vapor a una presión extremadamente baja y al principio estaba ubicada inmediatamente debajo del cilindro de potencia, pero también podía ubicarse detrás de una pared divisoria con una tubería de vapor de conexión. Hacer todo este trabajo requería la habilidad de un ingeniero práctico; el oficio de "ferretero" o comerciante de metales de Newcomen le habría proporcionado un conocimiento práctico significativo sobre qué materiales serían adecuados para un motor de este tipo y lo habría puesto en contacto con personas que tenían conocimientos aún más detallados.
Los primeros ejemplos de los que existen registros fiables 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 exitoso de Newcomen 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 agua a las minas de carbón llenas de agua. Una réplica en funcionamiento se puede ver hoy en el cercano Black Country Living Museum , que se encuentra en otra parte de lo que era el Conygree Park de Lord Dudley . Otro motor de Newcomen estaba en Cornwall . Su ubicación es incierta, pero se sabe que uno estaba en funcionamiento en la mina Wheal Vor en 1715. [10] Pronto comenzaron a llegar pedidos de minas húmedas de toda Inglaterra, y algunos han sugerido que la noticia de su logro se difundió a través de sus conexiones bautistas . Como la patente de Savery aún no había expirado, 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 Newcomen podría haber obtenido fácilmente. Durante los últimos años de su vigencia, la patente pertenecía a una empresa no constituida, The Proprietors of the Invention for raising water by fire .
Aunque su primer uso fue en áreas de minería de carbón, la máquina de Newcomen también se utilizó para bombear agua de las minas de metal en su West Country natal, como las minas de estaño de Cornualles. En el momento de su muerte, Newcomen y otros habían instalado más de cien de sus máquinas, no solo en el West Country y las 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 encontraron pruebas del uso de una máquina de vapor de 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, ya que los problemas se abordaban empíricamente a medida que surgían. Consistía en una caldera A , generalmente una caldera de pajar, situada directamente debajo del cilindro. Esto producía 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 completamente a partir de pequeñas placas de hierro remachadas. La acción del motor se transmitía a través de una "gran viga equilibrada" oscilante , cuyo fulcro E descansaba sobre la pared del hastial muy sólida de la sala de máquinas construida especialmente con el lado de la bomba que sobresalía fuera del edificio, ya que el motor estaba ubicado en la casa . Las varillas de la bomba se colgaban mediante una cadena desde el arco F de la gran viga. Desde el cabezal de arco interno D se suspendía un pistón P que trabajaba en un cilindro B , cuyo extremo superior estaba abierto a la atmósfera por encima del pistón y el extremo inferior cerrado, aparte del corto tubo de admisión que conectaba el cilindro con la caldera; los primeros cilindros estaban hechos de latón fundido, pero pronto se descubrió que el hierro fundido era más efectivo y mucho más barato de producir. El pistón estaba rodeado por un sello en forma de anillo de cuero, pero como el orificio del cilindro se terminaba a mano y no era absolutamente recto, se debía mantener constantemente una capa de agua sobre el pistón. Instalado en lo alto de la sala de máquinas había un tanque de agua C (o tanque de cabecera ) alimentado por una pequeña bomba interna colgada de un cabezal de arco más pequeño. El tanque de cabecera suministraba agua fría a presión a través de un tubo vertical para condensar el vapor en el cilindro con una pequeña rama que suministraba el agua de sellado del cilindro; en cada carrera superior del pistón, el exceso de agua de sellado caliente se desbordaba por dos tuberías, una al pozo interno y la otra para alimentar la caldera por gravedad.
El equipo de bombeo era más pesado que el pistón de vapor, de modo que la posición de la viga en reposo era con el lado de la bomba hacia abajo y el lado del motor hacia arriba, lo que se llamaba "fuera de la casa".
Para poner en marcha 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. La diferencia de presión entre la atmósfera sobre el pistón y el vacío parcial debajo hizo que el pistón bajara, lo que produjo la carrera de potencia , llevando la viga "al interior de la cámara" y elevando el engranaje de la bomba.
Luego, el vapor se reintroducía en el cilindro, destruyendo el vacío y haciendo que el condensado descendiera 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, al mismo tiempo que impulsaban el agua desde la mina hacia arriba.
Este ciclo se repitió alrededor de 12 veces por minuto.
Newcomen descubrió que su primer motor dejaba de funcionar al cabo de un tiempo y, finalmente, descubrió que esto se debía a que pequeñas cantidades de aire entraban en el cilindro junto con el vapor. El agua suele contener algo de aire disuelto y, al hervir el agua, se liberaba junto con el vapor. Este aire no podía condensarse con el agua pulverizada y se acumulaba gradualmente hasta que el motor se "bloqueaba" con el viento. Para evitarlo, se incluyó una válvula de liberación llamada "snifting clack" o válvula snifter cerca de la parte inferior del cilindro. Esta se abría brevemente cuando se introducía vapor por primera vez y el gas no condensable salía del cilindro. Su nombre se deriva del ruido que hacía cuando funcionaba para liberar el aire y el vapor "como un hombre que se resfría". [11]
En las primeras versiones, las válvulas o tapones , como se las llamaba entonces, eran operadas manualmente por el operario , pero la acción repetitiva exigía una sincronización precisa, lo que hacía deseable la acción automática. Esto se obtenía por medio de un árbol de tapones , que era una viga suspendida verticalmente a lo largo del cilindro desde un pequeño cabezal de arco mediante cadenas cruzadas, cuya función era abrir y cerrar las válvulas automáticamente cuando la viga alcanzaba ciertas posiciones, por medio de taqués y mecanismos de escape que utilizaban pesas. En el motor de 1712, la bomba de alimentación de agua estaba unida a la parte inferior del árbol de tapones, pero los motores posteriores tenían la bomba en el exterior suspendida de un pequeño cabezal de arco separado. Existe una leyenda común que dice que en 1713 un chico de gallos llamado Humphrey Potter, [12] cuyo deber era abrir y cerrar las válvulas de un motor que él supervisaba, hizo que el motor actuara automáticamente haciendo que la propia viga abriera y cerrara las válvulas mediante cuerdas y pestillos adecuados [13] (conocido como el "cordón de alfarero"); [14] Sin embargo, el dispositivo de árbol de tapón (la primera forma de mecanismo de válvulas ) probablemente se estableció como práctica antes de 1715, y está claramente representado en las primeras imágenes conocidas de los motores Newcomen por Henry Beighton (1717) [15] (que Hulse cree que representa el motor de la mina de carbón Griff de 1714) y por Thomas Barney (1719) (que representa el motor de Dudley Castle de 1712). Debido a las demandas de vapor muy altas, el motor tenía que detenerse y reiniciarse periódicamente, pero incluso este proceso se automatizaba por medio de 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 hacía funcionar un tope que bloqueaba el cierre de la válvula de inyección de agua hasta que se hubiera generado más vapor.
La mayoría de las imágenes muestran solo el lado del motor, sin brindar información sobre las bombas. La opinión actual es que, al menos en los primeros motores, se usaban bombas de fuerza de peso muerto , y el trabajo del motor era únicamente levantar el lado de la bomba para prepararlo para el siguiente golpe de bomba descendente. Esta es la disposición utilizada para la réplica del castillo de Dudley, que efectivamente funciona a la velocidad original indicada de 12 golpes por minuto/10 galones imperiales (45 litros) levantados por golpe. Los motores Watt posteriores usaban bombas de elevación impulsadas por el golpe 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 sus proporciones por John Smeaton , quien construyó muchos motores grandes de este tipo durante la década de 1770. [13] La necesidad urgente de un motor para dar movimiento rotatorio se estaba haciendo sentir y esto fue hecho con un éxito limitado por Wasborough y Pickard usando un motor Newcomen para impulsar un volante a través de una manivela . Aunque el principio de la manivela ya se conocía desde hacía 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 pasaron por alto la patente aplicando el movimiento del sol y los planetas a su avanzado motor rotativo de doble efecto de 1782.
En 1725, el motor 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 extendió en algunos lugares para bombear el suministro de agua municipal; por ejemplo, el primer motor 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 sobre ella, de modo que la misma agua pudiera volver a hacer girar la rueda. Uno de los primeros ejemplos de esto fue en Coalbrookdale . Se había instalado una bomba impulsada por caballos en 1735 para devolver agua al estanque sobre el antiguo alto horno. Esta fue reemplazada por un motor Newcomen en 1742-3. [17] Varios hornos nuevos construidos en Shropshire en la década de 1750 se impulsaban de manera similar, incluidos los hornos Horsehay y Ketley y los hornos Madeley Wood o Bedlam . [18] Este último no parece haber tenido una piscina encima del horno, sino solo 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 la carrera de potencia única producía un movimiento muy brusco. [ cita requerida ]
El principal problema del diseño de Newcomen era que utilizaba la energía de forma ineficiente y, por lo tanto, su funcionamiento era costoso. Una vez que el vapor de agua del interior se había enfriado lo suficiente para crear el vacío, las paredes del cilindro estaban lo suficientemente frías como para condensar parte del vapor que entraba en el siguiente ciclo de admisión. Esto significaba que se estaba utilizando una cantidad considerable de combustible solo para calentar el cilindro hasta el punto en que el vapor comenzara 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 solo fue reemplazado cuando James Watt lo mejoró en 1769 para evitar este problema (Watt había recibido el encargo de reparar un modelo de un motor de Newcomen de la Universidad de Glasgow ; un modelo pequeño que exageraba el problema). En el motor de vapor de Watt , la condensación se producía en una unidad condensadora exterior, unida al cilindro de vapor a través de una tubería. Cuando se abría una válvula en la tubería, el vacío en el condensador, a su vez, evacuaba esa 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 efecto , con carreras de potencia tanto ascendentes como descendentes, lo que aumentaba la cantidad de potencia del motor sin un gran aumento en el tamaño del motor. [20]
El diseño de Watt, presentado en 1769, no eliminó de inmediato los motores Newcomen. La enérgica defensa que Watt hizo de sus patentes dio como resultado que se siguiera utilizando el motor Newcomen en un esfuerzo por evitar el pago de regalías . Cuando sus patentes expiraron en 1800, hubo una prisa por instalar motores Watt y los motores Newcomen quedaron eclipsados, incluso en las minas de carbón.
La locomotora Newcomen Memorial se puede ver en funcionamiento en la ciudad natal de Newcomen, Dartmouth , a donde la Sociedad Newcomen la trasladó en 1963. Se cree que data de 1725, cuando se instaló inicialmente en la mina de carbón Griff cerca de Coventry. [21]
Se instaló un motor en una mina de carbón en Ashton-under-Lyne alrededor de 1760. [22] Conocido localmente como Fairbottom Bobs , ahora se conserva en el Museo Henry Ford en Dearborn, Michigan . [23]
La única locomotora de estilo Newcomen que aún se conserva en su ubicación original se encuentra en lo que hoy es el Centro de Patrimonio de Elsecar , cerca de Barnsley, en el sur de Yorkshire. Probablemente, esta fue la última locomotora de estilo Newcomen utilizada comercialmente, ya que funcionó desde 1795 hasta 1923. La locomotora se sometió a extensas obras de conservación, junto con su eje y sala de máquinas originales, que se completaron en otoño de 2014.
Hay dos ejemplos estáticos de una máquina Newcomen. Uno se encuentra en el Museo de Ciencias de Londres . [24] Un segundo ejemplo se encuentra en el Museo Nacional de Escocia . Anteriormente se encontraba en la mina de carbón Caprington en Kilmarnock . [25]
Otro ejemplo, utilizado originalmente en la mina de carbón Farme , se exhibe en Summerlee, Museo de la Vida Industrial Escocesa ; inusualmente, se utilizó para bobinar en lugar de bombear agua, y había estado en funcionamiento durante casi un siglo cuando se examinó in situ en 1902. [26] [27]
En 1986, se completó una réplica operativa a escala real de la máquina de vapor Newcomen de 1712 en el Black Country Living Museum de Dudley. [28] Es la única réplica funcional a tamaño real de la máquina que existe y se cree que está a un par de millas del sitio de la primera máquina completada, erigida en 1712. [29] La "máquina de bomberos", como se la conocía, es un impresionante edificio de ladrillo del que sobresale una viga de madera a través de una pared. Las varillas cuelgan del extremo exterior de la viga y hacen funcionar bombas en el fondo del pozo de la mina que elevan el agua a la superficie. La máquina en sí es simple, con solo una caldera, un cilindro y un pistón y válvulas de operación. Un fuego de carbón calienta el agua en la caldera, que es poco más que una olla cubierta, y el vapor generado pasa luego a través de una válvula al cilindro de latón sobre la caldera. El cilindro tiene 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 empuja el extremo interior de la viga hacia abajo y hace que la bomba se mueva. [30]
{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )La locomotora que se exhibe en Dartmouth fue donada por la Comisión de Transporte Británica a la Sociedad Newcomen en 1963 y se erigió dentro de una antigua subestación eléctrica. Esta locomotora en particular se construyó alrededor de 1725 en Griff Colliery, antes de trasladarse a otro lugar.
