Cronología de la energía de vapor

energía del vapor se desarrolló lentamente durante un período de varios cientos de años, progresando a través de dispositivos costosos y bastante limitados a principios del siglo XVII, hasta bombas útiles para la minería en 1700 y luego hasta Watt' s diseños mejorados de máquinas de vapor a finales del siglo XVIII. Fueron estos diseños posteriores, introducidos justo cuando la necesidad de energía práctica estaba creciendo debido a la Revolución Industrial, los que realmente hicieron que la energía de vapor fuera algo común.

Fases de desarrollo

Primeros ejemplos

• Primer siglo AD – Hero de Alejandría describe el Aeolipile, como un ejemplo del poder del aire caliente o el agua. El dispositivo consiste en una bola giratoria de chorros de vapor; produjo poca potencia y no tenía ninguna aplicación práctica, pero es sin embargo el primer dispositivo conocido movido por presión de vapor. También describe una manera de transferir agua de un vaso a otro usando presión. Los métodos implicaban llenar un cubo, cuyo peso trabajaba para abrir las puertas del templo, que luego se cerraron de nuevo por un peso muerto una vez que el agua en el cubo había sido sacada por un vacío causado por el enfriamiento del vaso inicial.
• 1125()1125): En Reims, según William de Malmesbury, un órgano fue alimentado por agua caliente. Afirma que fue construido por el Papa Sylvester II.
• A finales del siglo XV: Leonardo Da Vinci describió el Architonnerre, un cañón a vapor.
• 1551()1551): Taqi al-Din Muhammad ibn Ma'ruf describe un dispositivo similar a la turbina de vapor para girar una escupita.
• 1601()1601): Giovanni Battista della Porta realiza experimentos sobre el uso de vapor para crear presión o vacío, construyendo fuentes sencillas similares a un percolador.
• 1606()1606): Jerónimo de Ayanz y Beaumont recibe una patente para un dispositivo a vapor para extraer agua de las minas.
• 1615()1615): Salomon de Caus, que había sido ingeniero y arquitecto bajo Luis XIII, publica un libro que muestra un dispositivo similar al de Porta.
• 1629()1629): Giovanni Branca sugiere utilizar un dispositivo de turbina de vapor similar al descrito por Taqi al-Din pero destinado a alimentar una serie de plagas que trabajan en morteros.
• 1630()1630): David Ramsay se concede una patente para varias aplicaciones de vapor, aunque no se da descripción y la patente también cubre una serie de invenciones no relacionadas. Se refiere a un "motor de fuego", y este término se utiliza durante muchos años.

Desarrollo de una práctica máquina de vapor

• 1663()1663): Edward Somerset, 2o Marqués de Worcester, publica una selección de sus inventos. Uno es un nuevo tipo de bomba de vapor, esencialmente dos dispositivos como de Caus, pero unido a una sola caldera. Una invención clave es la adición de refrigeración alrededor de los contenedores para obligar al vapor a condensarse. Esto produce un vacío parcial dentro de las cámaras, que se utiliza para dibujar un volumen de agua en los contenedores a través de una tubería, formando así una bomba. Construye uno de tamaño muy grande en el lado del castillo de Raglan, aparentemente el primer motor de vapor de escala industrial. Tiene planes para construirlos para la minería, pero muere antes de que pueda establecer su empresa.
• 1680()1680): Christiaan Huygens publica memorandos que describen un motor pólvora que conduce un pistón. Es históricamente notable como la primera descripción conocida de un motor de pistón.
• 1698()1698): Thomas Savery presenta una bomba de vapor que llama el Amigo de Miner. Es casi sin duda una copia directa del diseño de Somerset. Una mejora clave se añade más tarde, reemplazando el flujo de agua fría en el exterior del cilindro con un spray directamente dentro de él. Un pequeño número de sus bombas se construyen, en su mayoría experimentales, pero como cualquier sistema basado en la succión para levantar el agua, tienen una altura máxima de 32 pies (y generalmente mucho menos). Para ser práctico, su diseño también puede utilizar la presión de vapor adicional para forzar el agua fuera de la parte superior del cilindro, permitiendo que las bombas sean "apiladas", pero muchos propietarios de minas tuvieron miedo del alto riesgo de explosión y evitaron esta opción. (Los motores de seguridad fueron reintroducidos en los años 1780 para recircular el agua a las ruedas de agua conduciendo molinos textiles, especialmente en períodos de sequía).
• c. 1705()1705): Thomas Newcomen desarrolla el motor atmosférico, que, a diferencia de la bomba Savery, emplea un pistón en un cilindro; el vacío tirando el pistón al fondo del cilindro cuando se inyecta agua en él. El motor permitió un gran aumento de la altura de bombeo y el drenaje de minas más profundas de lo posible al utilizar el vacío para extraer el agua. Savery tiene una patente cubriendo todos los usos imaginados de la energía de vapor, así que Newcomen y su compañero John Calley persuaden a Savery a unirse con ellos para explotar su invención hasta la expiración de la patente en 1733.
• 1707()1707): Denis Papin publica un estudio sobre el vapor, incluyendo varias ideas. Se utiliza un motor tipo Savery para elevar el agua a una rueda de agua para la energía rotativa. El estudio también propone sustituir el agua de un motor Savery por un pistón, que es arrastrado por el vacío en un cilindro después de que se condensa el vapor dentro, pero no pudo construir el dispositivo.
• 1718()1718): Jean Desaguliers presenta una versión mejorada del motor Savery, que incluye válvulas de seguridad y una válvula de dos vías que operaba tanto el vapor como el agua fría (a diferencia de dos válvulas separadas). No se emplea comercialmente.

El motor Newcomen: la energía del vapor en la práctica

• 1712()1712): Newcomen instala su primer motor comercial.
• 1713()1713): Humphrey Potter, un niño cargado de operar un motor Newcomen, instala un sistema simple para abrir y cerrar automáticamente las válvulas operativas. El motor ahora se puede ejecutar a 15 golpes un minuto con poco trabajo aparte de disparar la caldera.
• 1718()1718): Henry Beighton presenta una versión mejorada y mucho más fiable del sistema operativo de Potter.
• 1720()1720): Leupold diseña un motor basado en la expansión, que atribuye a Papin, en el que dos cilindros alternadamente reciben vapor y luego se ventilan a la atmósfera. Aunque es probable que un diseño útil, parece que ninguno fue construido.
• 1733()1733): La patente de Newcomen expira. En este momento se han construido unos 100 motores Newcomen. En los próximos 50 años, los motores se instalan en colirios y minas metálicas en toda Inglaterra, especialmente en Cornwall, y también se utilizan para el suministro municipal de agua y bombeo de agua sobre ruedas de agua, especialmente en planchas.
• 1755()1755): Josiah Hornblower instala el primer motor comercial de Newcomen en los EE.UU., en el Schuyler Copper Mine en lo que ahora es North Arlington en el condado de Bergen, Nueva Jersey, utilizando partes importadas del Reino Unido.
• 1769()1769): John Smeaton experimenta con motores Newcomen, y también comienza a construir motores mejorados con una carrera de pistón mucho más larga que la práctica anterior. Motores posteriores, que marcaron probablemente el punto alto del diseño del motor Newcomen, ofrecen hasta 80 caballos de fuerza (unos 60 kW).
• 1775()1775): Para esta fecha, unos 600 motores Newcomen construidos en el Reino Unido.
• 1779()1779): La manivela primero aplicada por James Pickard a un motor Newcomen, produciendo movimiento rotativo. Pickard patenta esto el año siguiente, pero la patente no es ejecutable.
• 1780()1780): Los motores de Newcomen siguen siendo construidos en gran número (alrededor de mil entre 1775 y 1800), especialmente para las minas, pero cada vez más en molinos y fábricas. Muchos han agregado condensadores Watt después de que la patente expira (ver abajo). También se construyen varias docenas de motores Savery mejorados.

Motor Watt

• 1765()1765): James Watt inventa el condensador separado, la clave para reubicar el chorro de agua, (que condensa el vapor y crea el vacío en el motor de Newcomen) dentro de un vaso cilíndrico adicional de menor tamaño encerrado en un baño de agua; el condensado todavía caliente es evacuado en un pozo caliente por medio de una bomba de succión que permite que el agua precalentada sea devuelto a la caldera. Esto aumenta enormemente la eficiencia térmica asegurando que el cilindro principal pueda mantenerse caliente en todo momento, a diferencia de los motores Newcomen donde el spray de agua condensado enfrió el cilindro en cada golpe. Watt también sella la parte superior del cilindro para que el vapor a una presión marginalmente por encima de la atmósfera pueda actuar en la parte superior del pistón contra el vacío creado debajo de él.
• 1765()1765): Matthew Boulton abre las obras de ingeniería Soho Manufactory en Handsworth.
• 1765()1765): Ivan Polzunov construye un motor de Newcomen de dos cilindros para alimentar la ventilación de minas en Barnaul, Rusia. Incluye un sistema automatizado para gobernar el nivel de agua en la caldera.
• 1769()1769): James Watt tiene una patente sobre su diseño mejorado. No puede encontrar a alguien para aburrir con precisión el cilindro y se ve obligado a usar un cilindro de hierro martillado. El motor funciona mal, debido a que el cilindro está fuera de la ronda, permitiendo fugas más allá del pistón. Sin embargo, el aumento de la eficiencia es suficiente para Watt y su socio Matthew Boulton para licenciar el diseño basado en los ahorros en carbón por año, en lugar de una cuota fija. Llevaría a Watt diez años en total para conseguir un cilindro exactamente aburrido.
• 1774()1774): John Wilkinson inventa una máquina aburrida capaz de aburrir cilindros precisos. El bar aburrido pasa completamente por el cilindro y se soporta en ambos extremos, a diferencia de las herramientas aburridas anteriores. Boulton en 1776 escribe que "el Sr. Wilkinson nos ha aburrido varios cilindros casi sin error; el de 50 pulgadas de diámetro, que hemos puesto en Tipton, no erra en el espesor de un viejo chelín en ninguna parte".
• 1775()1775): Watt y Boulton entran en una asociación formal. La patente de Watt se extiende por la Ley del Parlamento durante 25 años hasta 1800.
• 1776()1776): Primer motor comercial Boulton y Watt construido. En esta etapa y hasta 1795 B plagaW sólo proporcionó diseños y planos, las piezas de motor más complicadas, y soporte con erección in situ.
• 1781()1781): Jonathan Hornblower patenta un motor "completo" de dos cilindros, en el que el vapor empuja en un pistón (a diferencia de tirar por vacío como en diseños anteriores), y cuando alcanza el final de su carrera se transfiere en un segundo cilindro que se agota en un condensador como "normal". El diseño de Hornblower es más eficiente que los diseños de acción única de Watt, pero lo suficientemente similar a su sistema de doble acción que Boulton y Watt pueden tener la patente revocada por los tribunales en 1799.
• 1782()1782): Primer motor rotativo Watt, conduciendo un volante por medio del sol y el planeta en lugar de una manivela, evitando así la patente de James Pickard. Watt asegura nuevas patentes en este año y 1784.
• 1783()1783): Watt construye su primer motor "doble acting", que admite vapor para actuar alternativamente en un lado del pistón y luego en el otro, y la introducción de su enlace de movimiento paralelo permite que la transmisión de la potencia del pistón se transmita a la viga en ambas trazadas. Este cambio permite el uso de un volante impartiendo movimiento giratorio constante controlado por un gobernador, lo que hace posible que el motor conduzca maquinaria en aplicaciones críticas no rápidas como fresado, cervecerías y otras industrias manufactureras. Debido a que el gobernador centrífugo solo tenía mala respuesta a los cambios de carga, el motor de Watt no era adecuado para el hilado de algodón.
• 1784()1784): William Murdoch demuestra un carruaje de vapor modelo trabajando en " vapor fuerte". Está disuadido de patentar su invención por su empleador, James Watt.
• 1788()1788): Watt construye el primer motor de vapor para utilizar un gobernador centrífugo para la fábrica de Boulton & Wat Soho.
• 1790()1790): Nathan Read inventó la caldera tubular y mejoró el cilindro, ideando el motor de vapor de alta presión.
• 1791()1791): Edward Bull hace un cambio de diseño aparentemente obvio invirtiendo el motor de vapor directamente sobre las bombas de minas, eliminando el gran haz utilizado desde los diseños de Newcomen. Alrededor de 10 de sus motores están construidos en Cornwall.
• 1795()1795): Boulton y Watt abren su fundación Soho, para la fabricación de motores de vapor
• 1799()1799): Richard Trevithick construye su primer motor de alta presión en la mina Dolcoath en Cornwall.
• 1800()1800): La patente de Watt expira. En este momento se han construido en el Reino Unido unos 450 motores Watt (hasta 7.500 hp) y más de 1.500 motores Newcomen.

Mejorando la potencia

• 1801()1801): Richard Trevithick construye y dirige el motor de Camborne.
• 1801()1801): Oliver Evans construye su primer motor de vapor de alta presión en Estados Unidos (Ptd. 1804)
• 1804()1804): Richard Trevithick construye y dirige la locomotora de volantes de un solo cilindro en el tranvía Pen-y-Darran de 9 millas. Debido a las roturas de placa, el motor está instalado en Dowlais para uso estacionario.
• 1804()1804): John Steel construye locomotora para el modelo de Trevithick en Gateshead para el Sr. Smith. Esto se demuestra a Christopher Blackett que lo rechaza por razones de exceso de peso.
• 1804()1804): Arthur Woolf vuelve a introducir los diseños de doble cilindro de Hornblower ahora que las patentes de Watt han expirado. Sigue construyendo varios ejemplos con hasta nueve cilindros a medida que aumentan las presiones de calderas mediante una mejor fabricación y materiales.
• 1808()1808): Christopher Blackett retransmite la pista en Wylam Colliery.
• 1808()1808): Richard Trevithick demuestra el pasajero que transporta ferrocarril con su "circo de vapor" (utilizando la locomotora Atrápame quien puede en una pista circular) en Londres.
• 1811()1811): Blackett emplea a Thomas Waters para construir una nueva locomotora de volantes.
• 1811()1811): Blackett instruye a Timothy Hackworth para construir chasis a mano para probar la viabilidad de la tracción suave.
• 1811()1811): Segunda locomotora Wylam construida por el equipo de desarrollo de Blackett, consistente en Timothy Hackworth, William Hedley y Jonathan Foster.
• 1812()1812): Blenkinsop desarrolla sistema ferroviario de rack en colaboración con Matthew Murray de Leeds Round Foundry - caldera de un solo tubo; cilindros verticales hundidos en caldera.
• 1813()1813): Tercera locomotora Wylam construida, con 8 ruedas para extender carga de eje.
• 1815()1815): George Stephenson construye Blücher - similar al modelo Blenkinsop.
• 1825()1825): Robert Stephenson & Co build Locomoción para Stockton y Darlington Railway.
• 1827()1827): Timothy Hackworth construye un Royal George altamente eficiente con la explosión centralizada en la chimenea para Stockton y Darlington Railway.
• 1829()1829): Robert Stephenson & Co compite con éxito en Rainhill Trials con El cohete contra Hackworth Sans Pareil y Braithwaite y Ericsson Novedad.
• 1830()1830): Stephensonian la configuración locomotora aparece con Stephenson Planeta tipo junto con Edward Bury Liverpool - cilindros horizontales colocados debajo de la caja de humo; conduce a la manivela trasera - marcos de barras. Liverpool Manchester Línea abierta con aclamación tumultuosa
• 1849()1849): George Henry Corliss desarrolla y comercializa el motor de vapor tipo Corliss, un motor de contrafluencia de cuatro válvulas con admisión de vapor y válvulas de escape separadas. Los mecanismos de válvula de viaje proporcionan un corte agudo de vapor durante el golpe de admisión. El gobernador se utiliza para controlar el corte en lugar de la válvula del acelerador. La eficiencia de los motores Corliss supera en gran medida otros motores del período, y se adoptan rápidamente en el servicio estacionario en toda la industria. El motor Corliss tiene una mejor respuesta a los cambios en la carga y corre a una velocidad más constante, lo que lo hace adecuado para aplicaciones tales como rosca giratoria.
• 1854()1854): John Ramsbottom publica un informe sobre su uso de anillos de pistón de acero dividido de gran tamaño que mantienen un sello por la tensión de primavera externa en la pared del cilindro. Esto permite un sellado mucho mejor (comparado a anteriores sellos de algodón) que conduce a presiones de sistema significativamente más altas antes de experimentar "blow-by".
• 1862()1862): El motor de vapor Allen (más tarde llamado Porter-Allen) se exhibe en la Exposición de Londres. Está diseñado y equilibrado de precisión permitiendo que funcione de tres a cinco veces la velocidad de otros motores estacionarios. El golpe corto y la alta velocidad minimizan la condensación en el cilindro, mejorando significativamente la eficiencia. La alta velocidad permite el acoplamiento directo o el uso de poleas y cinturones de tamaño reducido.
• 1862()1862): El indicador del motor de vapor se exhibe en la Exposición de Londres. Desarrollado para Charles Porter por Charles Richard, el indicador del motor de vapor rastrea la presión en el cilindro a lo largo del ciclo, que se puede utilizar para detectar varios problemas y optimizar la eficiencia. Las versiones anteriores del indicador del motor de vapor fueron utilizadas para 1851, aunque relativamente desconocidas.
• 1865()1865): Auguste Mouchout inventa el primer dispositivo para convertir energía solar en energía mecánica de vapor, utilizando un caldero lleno de agua encerrada en vidrio, que sería puesto al sol para hervir el agua.
• 1867()1867): Stephen Wilcox y su compañero George Herman Babcock patentan el "Babcock & Wilcox Non-Explosive Boiler", que utiliza agua dentro de grupos de tubos para generar vapor, típicamente con mayores presiones y más eficientemente que las típicas calderas "firetube" de ese tiempo. Los diseños de caldera de tipo Babcock y Wilcox se vuelven populares en nuevas instalaciones.
• 1881()1881): Alexander C. Kirk obtuvo las calderas de alta presión necesarias para la primera instalación práctica de un motor marino de triple expansión en SS Aberdeen.
• 1884()1884): Charles Algernon Parsons desarrolla la turbina de vapor. Utilizado temprano en la generación eléctrica y en los barcos de energía, las turbinas eran ruedas de hojalata que crearon movimiento rotatorio cuando el vapor de alta presión fue pasado a través de ellos. La eficiencia de las turbinas de vapor grandes era considerablemente mejor que los mejores motores compuestos, mientras que también era mucho más simple, más fiable, más pequeño y más ligero al mismo tiempo. Las turbinas de vapor eventualmente reemplazarían motores de pistón para la mayoría de la generación de energía.
• 1893()1893): Nikola Tesla patenta un generador electromecánico oscilante a vapor. Tesla esperaba que fuera competitivo con turbinas de vapor para producir corriente eléctrica pero nunca encontró uso fuera de sus experimentos de laboratorio.
• 1897()1897): Stanley Brothers comienzan a vender coches de vapor ligeros, más de 200 se hacen.
• 1899()1899): La empresa Locomobile comienza la fabricación de los primeros coches a vapor de producción, después de comprar derechos de fabricación de los hermanos Stanley.
• 1902()1902): La Stanley Motor Carriage Company comienza la fabricación del Stanley Steamer, el coche más popular de producción a vapor.
• 1903()1903): Commonwealth Edison Fisk Generating Station abre en Chicago, utilizando 32 calderas Babcock & Wilcox conduciendo varias turbinas GE Curtis, a 5.000 y 9.000 kilovatios cada uno, los mayores generadores de turbina en el mundo en ese momento. Casi toda la generación de energía eléctrica, desde la estación de Fisk hasta el presente, se basa en generadores de turbina a vapor.
• 1913()1913): Nikola Tesla patenta una turbina de vapor sin hoja que utiliza efecto de capa de límite. Este diseño nunca se ha utilizado comercialmente debido a su baja eficiencia.
• 1923()1923): Alan Arnold Griffith publica Una Teoría Aerodinámica del Diseño de Turbina, describiendo una manera de mejorar dramáticamente la eficiencia de todas las turbinas. Además de hacer las nuevas centrales eléctricas más económicas, también proporciona suficiente eficiencia para construir un motor jet.
• 1933()1933): George y William Besler de los Estados Unidos son los primeros aviadores (y hasta esta fecha sólo aviadores) para volar con éxito en la energía de vapor el 12 de abril de 1933 con un biplano Travel Air 2000 convertido, utilizando un motor compuesto de 90° V-twin de su propio diseño.
• 2009()2009): El 25 de agosto de 2009, Team Inspiration of the British Steam Car Challenge rompió el récord de larga data para un vehículo de vapor establecido por un Stanley Steamer en 1906, estableciendo un nuevo récord de velocidad de 139.843 mph (225.055 km/h) sobre una milla medida en Edwards Air Force Base, en el Desierto de Mojave de California.
• 2009()2009): El 26 de agosto de 2009, Team Inspiration rompió un segundo récord estableciendo un nuevo récord de velocidad de 148.308 mph (238.679 km/h) sobre un kilómetro medido.
• Las turbinas de vapor están hechas a 1.500 MW (2,000,000 hp) para generar electricidad.