Historia de la máquina de vapor

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Ilustración de un Aeolipile, primeros prototipos mecánicos en usar el vapor
Aeolipile de vapor

La primera máquina de vapor rudimentaria registrada fue la eolípila mencionada por Vitruvio entre el 30 y el 15 a. C. y descrita por Herón de Alejandría en el Egipto romano del siglo I. Posteriormente se experimentaron o propusieron varios dispositivos impulsados ​​​​por vapor, como el gato de vapor de Taqi al-Din, una turbina de vapor en el Egipto otomano del siglo XVI y la bomba de vapor de Thomas Savery en la Inglaterra del siglo XVII. En 1712, el motor atmosférico de Thomas Newcomen se convirtió en el primer motor comercialmente exitoso que utilizó el principio del pistón y el cilindro, que fue el tipo fundamental de motor de vapor utilizado hasta principios del siglo XX. La máquina de vapor se usaba para sacar agua de las minas de carbón.

Durante la Revolución Industrial, las máquinas de vapor comenzaron a reemplazar la energía hidráulica y eólica, y eventualmente se convirtieron en la fuente dominante de energía a fines del siglo XIX y permanecieron así hasta las primeras décadas del siglo XX, cuando la turbina de vapor más eficiente y la combustión interna. motor dio lugar a la rápida sustitución de las máquinas de vapor. La turbina de vapor se ha convertido en el método más común por el cual se accionan los generadores de energía eléctrica. Se están realizando investigaciones sobre los aspectos prácticos de reactivar la máquina de vapor alternativa como base para la nueva ola de tecnología de vapor avanzada.

Precursores

Los primeros usos de la energía de vapor

La primera máquina de vapor rudimentaria conocida y la turbina de vapor de reacción, el eolipile, es descrita por un matemático e ingeniero llamado Heron de Alejandría en el Egipto romano del siglo I, como se registra en su manuscrito Spiritalia seu Pneumatica. Vitruvio también mencionó el mismo dispositivo en De Architectura unos 100 años antes. El vapor expulsado tangencialmente de las boquillas provocó que una bola pivotante girara. Su eficiencia térmica era baja. Esto sugiere que la conversión de la presión del vapor en movimiento mecánico se conocía en el Egipto romano en el siglo I. Heron también ideó una máquina que usaba aire calentado en un fuego de altar para desplazar una cantidad de agua de un recipiente cerrado. Se hizo que el peso del agua tirara de una cuerda oculta para operar las puertas del templo.Algunos historiadores han combinado los dos inventos para afirmar, incorrectamente, que el eolipile era capaz de realizar un trabajo útil.

Según William of Malmesbury, en 1125, Reims albergaba una iglesia que tenía un órgano alimentado por aire que escapaba de la compresión "por agua caliente", aparentemente diseñado y construido por el profesor Gerbertus.

Entre los documentos de Leonardo da Vinci que datan de finales del siglo XV se encuentra el diseño de un cañón de vapor llamado Architonnerre, que funciona mediante la entrada repentina de agua caliente en un cañón sellado al rojo vivo.

Una turbina de vapor de impacto rudimentaria fue descrita en 1551 por Taqi al-Din, un filósofo, astrónomo e ingeniero del Egipto otomano del siglo XVI, quien describió un método para hacer girar un asador por medio de un chorro de vapor que juega con paletas giratorias alrededor de la periferia de una llanta. John Wilkins también describió más tarde un dispositivo similar para hacer girar un asador en 1648. Estos dispositivos se llamaban entonces "molinos", pero ahora se conocen como gatos de vapor. Giovanni Branca, un ingeniero italiano, muestra otra turbina de vapor rudimentaria similar en 1629 para hacer girar un dispositivo de escape cilíndrico que alternativamente levantaba y dejaba caer un par de morteros que trabajaban en morteros.Sin embargo, el flujo de vapor de estas primeras turbinas de vapor no estaba concentrado y la mayor parte de su energía se disipaba en todas direcciones. Esto habría llevado a un gran desperdicio de energía y, por lo tanto, nunca se consideraron seriamente para uso industrial.

En 1605, la matemática francesa Florence Rivault, en su tratado sobre artillería, escribió sobre su descubrimiento de que el agua, si se confinaba en una bomba y se calentaba, haría estallar los proyectiles.

En 1606, el español Jerónimo de Ayanz y Beaumont demostró y obtuvo una patente para una bomba de agua a vapor. La bomba se utilizó con éxito para drenar las minas inundadas de Guadalcanal, España.

Desarrollo de la máquina de vapor comercial.

Máquina de Savery, de 1698, una de las primeras máquinas de vapor funcionales
Máquina de Savery, de 1698, una de las primeras máquinas de vapor funcionales

"Los descubrimientos que, reunidos por Thomas Newcomen en 1712, dieron como resultado la máquina de vapor fueron:"

En 1643, Evangelista Torricelli realizó experimentos con bombas de agua de elevación por succión para probar sus límites, que eran de unos 32 pies. (La presión atmosférica es de 32,9 pies o 10,03 metros. La presión de vapor del agua reduce la altura de elevación teórica). Ideó un experimento utilizando un tubo lleno de mercurio e invertido en un recipiente de mercurio (un barómetro) y observó un espacio vacío sobre la columna de mercurio. mercurio, que él teorizó no contenía nada, es decir, un vacío.

Influenciado por Torricelli, Otto von Guericke inventó una bomba de vacío modificando una bomba de aire utilizada para presurizar una pistola de aire. Guericke organizó una manifestación en 1654 en Magdeburg, Alemania, donde era alcalde. Se acoplaron dos hemisferios de cobre y se extrajo aire. Los pesos atados a los hemisferios no podían separarlos hasta que se abría la válvula de aire. El experimento se repitió en 1656 utilizando dos equipos de 8 caballos cada uno, que no pudieron separar los hemisferios de Magdeburg.

Gaspar Schott fue el primero en describir el experimento del hemisferio en su Mechanica Hydraulico-Pneumatica (1657).

Después de leer el libro de Schott, Robert Boyle construyó una bomba de vacío mejorada y realizó experimentos relacionados.

Denis Papin se interesó en utilizar el vacío para generar energía motriz mientras trabajaba con Christiaan Huygens y Gottfried Leibniz en París en 1663. Papin trabajó para Robert Boyle desde 1676 hasta 1679, publicando un relato de su trabajo en Continuación de nuevos experimentos (1680) y hizo una presentación ante la Royal Society en 1689. A partir de 1690, Papin comenzó a experimentar con un pistón para producir energía con vapor, construyendo modelos de máquinas de vapor. Experimentó con máquinas de vapor atmosféricas y a presión, y publicó sus resultados en 1707.

En 1663, Edward Somerset, segundo marqués de Worcester, publicó un libro de 100 inventos que describía un método para elevar el agua entre pisos empleando un principio similar al de una cafetera. Su sistema fue el primero en separar la caldera (un barril de cañón calentado) de la acción de bombeo. Se admitía agua en un barril reforzado desde una cisterna y luego se abría una válvula para admitir vapor de una caldera separada. La presión se acumuló sobre la parte superior del agua, conduciéndola por una tubería.Instaló su dispositivo a vapor en la pared de la Gran Torre en el Castillo de Raglan para suministrar agua a través de la torre. Las ranuras en la pared donde se instaló el motor aún se podían ver en el siglo XIX. Sin embargo, nadie estaba dispuesto a arriesgar dinero por un concepto tan revolucionario y, sin patrocinadores, la máquina no se desarrolló.

Samuel Morland, un matemático e inventor que trabajó en bombas, dejó notas en la Oficina de Ordenanzas de Vauxhall sobre el diseño de una bomba de vapor que leyó Thomas Savery. En 1698, Savery construyó una bomba de vapor llamada "El amigo del minero". Empleaba tanto vacío como presión. Estos se utilizaron para servicio de baja potencia durante varios años.

Thomas Newcomen era un comerciante que comerciaba con productos de hierro fundido. El motor de Newcomen se basó en el diseño de pistón y cilindro propuesto por Papin. En el motor de Newcomen, el vapor se condensaba con agua rociada dentro del cilindro, lo que provocaba que la presión atmosférica moviera el pistón. El primer motor de Newcomen instalado para bombear en una mina en 1712 en Dudley Castle en Staffordshire.

Cilindros

Máquina de Papin, s.XIX
Máquina de Papin, s.XIX

Denis Papin (22 de agosto de 1647 - c. 1712) fue un físico, matemático e inventor francés, mejor conocido por su invención pionera del digestor de vapor, el precursor de la olla a presión. A mediados de la década de 1670, Papin colaboró ​​con el físico holandés Christiaan Huygens en un motor que expulsaba el aire de un cilindro haciendo explotar la pólvora en su interior. Al darse cuenta de lo incompleto del vacío producido por este medio y al mudarse a Inglaterra en 1680, Papin ideó una versión del mismo cilindro que obtenía un vacío más completo al hervir agua y luego permitir que el vapor se condensara; de esta manera pudo levantar pesos uniendo el extremo del pistón a una cuerda que pasaba por una polea. Como modelo de demostración, el sistema funcionó, pero para repetir el proceso hubo que desmontar y volver a montar todo el aparato. Papin rápidamente vio que para hacer un ciclo automático el vapor tendría que generarse por separado en una caldera; sin embargo, no llevó el proyecto más allá. Papin también diseñó un bote de remos impulsado por un chorro que juega en una rueda de molino en una combinación de las concepciones de Taqi al Din y Savery y también se le atribuye una serie de dispositivos importantes, como la válvula de seguridad. Los años de investigación de Papin sobre los problemas del aprovechamiento del vapor jugarían un papel clave en el desarrollo de los primeros motores industriales exitosos que pronto siguieron a su muerte. s concepciones y también se le atribuye una serie de dispositivos importantes como la válvula de seguridad. Los años de investigación de Papin sobre los problemas del aprovechamiento del vapor jugarían un papel clave en el desarrollo de los primeros motores industriales exitosos que pronto siguieron a su muerte. s concepciones y también se le atribuye una serie de dispositivos importantes como la válvula de seguridad. Los años de investigación de Papin sobre los problemas del aprovechamiento del vapor jugarían un papel clave en el desarrollo de los primeros motores industriales exitosos que pronto siguieron a su muerte.

Bomba de vapor de ahorro

La primera máquina de vapor que se aplicó industrialmente fue la "bomba de fuego" o "Miner's Friend", diseñada por Thomas Savery en 1698. Se trataba de una bomba de vapor sin pistón, similar a la desarrollada por Worcester. Savery hizo dos contribuciones clave que mejoraron en gran medida la practicidad del diseño. Primero, para permitir que el suministro de agua se colocara debajo del motor, usó vapor condensado para producir un vacío parcial en el depósito de bombeo (el barril en el ejemplo de Worcester), y usó eso para sacar el agua hacia arriba. En segundo lugar, con el fin de enfriar rápidamente el vapor para producir el vacío, hizo correr agua fría sobre el depósito.

La operación requería varias válvulas; al comienzo de un ciclo, cuando el depósito estaba vacío, se abría una válvula para admitir vapor. Esta válvula se cerraría para sellar el depósito y la válvula de agua de refrigeración se abriría para condensar el vapor y crear un vacío parcial. Entonces se abriría una válvula de suministro, tirando agua hacia arriba en el depósito; el motor típico podría sacar agua hasta 20 pies. Luego se cerró y la válvula de vapor se volvió a abrir, generando presión sobre el agua y bombeándola hacia arriba, como en el diseño de Worcester. Este ciclo esencialmente duplicó la distancia que se podía bombear el agua para cualquier presión de vapor dada, y los ejemplos de producción elevaron el agua unos 40 pies.

El motor de Savery resolvió un problema que recientemente se había vuelto serio; sacando agua de las minas en el sur de Inglaterra a medida que alcanzaban mayores profundidades. El motor de Savery era un poco menos eficiente que el de Newcomen, pero esto se compensaba por el hecho de que la bomba separada utilizada por el motor de Newcomen era ineficiente, dando a los dos motores aproximadamente la misma eficiencia de 6 millones de libras-pie por bushel de carbón (menos de 1 %). El motor Savery tampoco era muy seguro porque parte de su ciclo requería vapor a presión suministrado por una caldera y, dada la tecnología de la época, el recipiente a presión no podía hacerse lo suficientemente fuerte y, por lo tanto, era propenso a explotar. La explosión de una de sus bombas en Broad Waters (cerca de Wednesbury), alrededor de 1705,

El motor Savery era menos costoso que el de Newcomen y se producía en tamaños más pequeños. Algunos constructores fabricaron versiones mejoradas del motor Savery hasta finales del siglo XVIII. Bento de Moura Portugal, FRS, introdujo una ingeniosa mejora de la construcción de Savery "para hacerla capaz de trabajar por sí misma", como lo describe John Smeaton en Philosophical Transactions publicado en 1751.

Motores de condensación atmosférica

Motor "atmosférico" Newcomen

Funcionamiento de la icónica máquina de vapor atmosférica de Newcomen
Funcionamiento de la icónica máquina de vapor atmosférica de Newcomen

Se puede decir que fue Thomas Newcomen con su "máquina atmosférica" ​​de 1712 quien reunió la mayoría de los elementos esenciales establecidos por Papin para desarrollar la primera máquina de vapor práctica para la que podría haber una demanda comercial. Este tomó la forma de un motor de balancín alternativo instalado en el nivel de la superficie que impulsaba una sucesión de bombas en un extremo de la viga. El motor, unido por cadenas desde el otro extremo de la viga, funcionaba según el principio atmosférico o de vacío.

El diseño de Newcomen usó algunos elementos de conceptos anteriores. Al igual que el diseño de Savery, el motor de Newcomen usaba vapor, enfriado con agua, para crear un vacío. Sin embargo, a diferencia de la bomba de Savery, Newcomen usó el vacío para jalar un pistón en lugar de jalar agua directamente. El extremo superior del cilindro estaba abierto a la presión atmosférica, y cuando se formó el vacío, la presión atmosférica sobre el pistón lo empujó hacia el interior del cilindro. El pistón estaba lubricado y sellado por un hilo de agua de la misma cisterna que suministraba el agua de refrigeración. Además, para mejorar el efecto de enfriamiento, roció agua directamente en el cilindro.

El pistón estaba unido por una cadena a una gran viga pivotante. Cuando el pistón tiró de la viga, el otro lado de la viga fue jalado hacia arriba. Este extremo estaba conectado a una varilla que tiraba de una serie de manijas de bombas convencionales en la mina. Al final de esta carrera de potencia, la válvula de vapor se volvió a abrir y el peso de las varillas de la bomba tiró de la viga hacia abajo, levantando el pistón y atrayendo vapor nuevamente al cilindro.

El uso del pistón y la viga permitió que el motor Newcomen accionara bombas en diferentes niveles en toda la mina, además de eliminar la necesidad de vapor a alta presión. Todo el sistema estaba aislado en un solo edificio en la superficie. Aunque ineficientes y extremadamente pesados ​​​​con carbón (en comparación con los motores posteriores), estos motores levantaron volúmenes de agua mucho mayores y desde mayores profundidades de lo que había sido posible anteriormente. Más de 100 motores Newcomen se instalaron en Inglaterra en 1735, y se estima que hasta 2000 estaban en funcionamiento en 1800 (incluidas las versiones Watt).

John Smeaton realizó numerosas mejoras en el motor Newcomen, en particular los sellos, y al mejorarlos pudo casi triplicar su eficiencia. También prefirió usar ruedas en lugar de vigas para transferir la potencia del cilindro, lo que hizo que sus motores fueran más compactos. Smeaton fue el primero en desarrollar una teoría rigurosa del diseño de funcionamiento de las máquinas de vapor. Trabajó hacia atrás desde la función prevista para calcular la cantidad de energía que se necesitaría para la tarea, el tamaño y la velocidad de un cilindro que la proporcionaría, el tamaño de la caldera necesaria para alimentarlo y la cantidad de combustible que consumiría.. Estos se desarrollaron empíricamente después de estudiar docenas de motores Newcomen en Cornualles y Newcastle, y de construir un motor experimental propio en su casa en Austhorpe en 1770. Cuando se introdujo el motor Watt solo unos años después,

Condensador separado de Watt

Mientras trabajaba en la Universidad de Glasgow como fabricante y reparador de instrumentos en 1759, el profesor John Robison le presentó a James Watt el poder del vapor. Fascinado, Watt se dedicó a leer todo lo que pudo sobre el tema y desarrolló de forma independiente el concepto de calor latente, publicado recientemente por Joseph Black en la misma universidad. Cuando Watt se enteró de que la Universidad poseía un pequeño modelo funcional de un motor Newcomen, presionó para que lo devolvieran de Londres, donde lo estaban reparando sin éxito. Watt reparó la máquina, pero descubrió que apenas funcionaba incluso cuando estaba completamente reparada.

Después de trabajar con el diseño, Watt concluyó que se desperdiciaba el 80% del vapor utilizado por el motor. En lugar de proporcionar fuerza motriz, se usaba para calentar el cilindro. En el diseño de Newcomen, cada golpe de fuerza se iniciaba con un chorro de agua fría, que no solo condensaba el vapor, sino que también enfriaba las paredes del cilindro. Este calor tuvo que ser reemplazado antes de que el cilindro aceptara vapor nuevamente. En el motor de Newcomen el calor lo aportaba únicamente el vapor, por lo que cuando se abría de nuevo la válvula de vapor la gran mayoría se condensaba en las paredes frías nada más ser admitido en el cilindro. Tomó una cantidad considerable de tiempo y vapor antes de que el cilindro se calentara nuevamente y el vapor comenzara a llenarlo.

Watt resolvió el problema del rociado de agua retirando el agua fría a un cilindro diferente, colocado al lado del cilindro de potencia. Una vez que se completó la carrera de inducción, se abrió una válvula entre los dos, y cualquier vapor que ingresara al cilindro se condensaría dentro de este cilindro frío. Esto crearía un vacío que atraería más vapor al cilindro, y así sucesivamente hasta que la mayor parte del vapor se condensara. Luego se cerró la válvula y el funcionamiento del cilindro principal continuó como lo haría en un motor Newcomen convencional. Como el cilindro de potencia permaneció a la temperatura de funcionamiento durante todo el proceso, el sistema estuvo listo para otro golpe tan pronto como el pistón fue tirado hacia atrás hasta la parte superior. Manteniendo la temperatura había una camisa alrededor del cilindro donde se admitía el vapor. Watt produjo un modelo de trabajo en 1765.

Convencido de que se trataba de un gran avance, Watt se asoció para proporcionar capital de riesgo mientras trabajaba en el diseño. No contento con esta única mejora, Watt trabajó incansablemente en una serie de otras mejoras en prácticamente todas las partes del motor. Watt mejoró aún más el sistema al agregar una pequeña bomba de vacío para extraer el vapor del cilindro hacia el condensador, mejorando aún más los tiempos de ciclo. Un cambio más radical con respecto al diseño de Newcomen fue cerrar la parte superior del cilindro e introducir vapor a baja presión sobre el pistón. Ahora bien, la potencia no se debía a la diferencia de la presión atmosférica y el vacío, sino a la presión del vapor y el vacío, un valor algo superior. En la carrera de retorno ascendente, el vapor de la parte superior se transfirió a través de una tubería a la parte inferior del pistón, listo para condensarse para la carrera descendente. El sellado del pistón en un motor Newcomen se logró manteniendo una pequeña cantidad de agua en su lado superior. Esto ya no era posible en el motor de Watt debido a la presencia del vapor. Watt dedicó un esfuerzo considerable a encontrar un sello que funcionara, y finalmente se obtuvo mediante el uso de una mezcla de sebo y aceite. El vástago del pistón también pasó a través de un prensaestopas en la tapa superior del cilindro sellado de manera similar. finalmente obtenido mediante el uso de una mezcla de sebo y aceite. El vástago del pistón también pasó a través de un prensaestopas en la tapa superior del cilindro sellado de manera similar. finalmente obtenido mediante el uso de una mezcla de sebo y aceite. El vástago del pistón también pasó a través de un prensaestopas en la tapa superior del cilindro sellado de manera similar.

El problema del sellado del pistón se debía a que no había forma de producir un cilindro lo suficientemente redondo. Watt intentó perforar cilindros de hierro fundido, pero estaban demasiado descentrados. Watt se vio obligado a utilizar un cilindro de hierro martillado. La siguiente cita es de Roe (1916):

"Cuando [John] Smeaton vio por primera vez el motor, informó a la Sociedad de Ingenieros que 'no existían ni las herramientas ni los trabajadores que pudieran fabricar una máquina tan compleja con suficiente precisión'".

Watt finalmente consideró que el diseño era lo suficientemente bueno como para lanzarlo en 1774, y el motor Watt se lanzó al mercado. Como partes del diseño se podían adaptar fácilmente a los motores Newcomen existentes, no hubo necesidad de construir un motor completamente nuevo en las minas. En cambio, Watt y su socio comercial, Matthew Boulton, autorizaron las mejoras a los operadores de motores y les cobraron una parte del dinero que ahorrarían en la reducción de los costos de combustible. El diseño fue un gran éxito y se formó la compañía Boulton and Watt para obtener la licencia del diseño y ayudar a los nuevos fabricantes a construir los motores. Más tarde, los dos abrirían Soho Foundry para producir sus propios motores.

En 1774, John Wilkinson inventó una máquina perforadora con el eje que sostenía la herramienta de perforación apoyada en ambos extremos, extendiéndose a través del cilindro, a diferencia de las perforadoras en voladizo que se usaban entonces. Con esta máquina pudo perforar con éxito el cilindro del primer motor comercial de Boulton y Watt en 1776.

Watt nunca dejó de mejorar sus diseños. Esto mejoró aún más la velocidad del ciclo operativo, introdujo gobernadores, válvulas automáticas, pistones de doble acción, una variedad de tomas de fuerza rotativas y muchas otras mejoras. La tecnología de Watt permitió el uso comercial generalizado de máquinas de vapor estacionarias.

Humphrey Gainsborough produjo un modelo de máquina de vapor de condensación en la década de 1760, que le mostró a Richard Lovell Edgeworth, miembro de la Lunar Society. Gainsborough creía que Watt había usado sus ideas para la invención; sin embargo, James Watt no era miembro de la Sociedad Lunar en este período y sus muchos relatos que explican la sucesión de procesos de pensamiento que conducen al diseño final tenderían a desmentir esta historia.

La potencia aún estaba limitada por la baja presión, el desplazamiento del cilindro, las tasas de combustión y evaporación y la capacidad del condensador. La eficiencia teórica máxima estaba limitada por el diferencial de temperatura relativamente bajo a ambos lados del pistón; esto significaba que para que un motor Watt proporcionara una cantidad utilizable de energía, los primeros motores de producción tenían que ser muy grandes y, por lo tanto, eran costosos de construir e instalar.

Modelo de la Máquina de Newcomen, la más famosa ingeniería de vapor del siglo XIX
Modelo de la Máquina de Newcomen, la más famosa ingeniería de vapor del siglo XIX

Motores Watt de doble efecto y rotativos

Watt desarrolló un motor de doble acción en el que el vapor impulsaba el pistón en ambas direcciones, aumentando así la velocidad y la eficiencia del motor. El principio de doble acción también aumentó significativamente la producción de un motor de tamaño físico determinado.

Boulton & Watt desarrolló el motor alternativo en el tipo rotativo. A diferencia del motor Newcomen, el motor Watt podría funcionar con la suficiente suavidad como para conectarse a un eje de transmisión, a través de engranajes planetarios y planetarios, para proporcionar potencia rotatoria junto con cilindros de condensación de doble acción. El primer ejemplo se construyó como demostración y se instaló en la fábrica de Boulton para hacer funcionar máquinas para lapear (pulir) botones o similares. Por este motivo siempre se le conoció como el Lap Engine. En las primeras máquinas de vapor, el pistón suele estar conectado mediante una varilla a una viga equilibrada, en lugar de directamente a un volante, por lo que estas máquinas se conocen como máquinas de balancín.

Las primeras máquinas de vapor no proporcionaban una velocidad lo suficientemente constante para operaciones críticas como el hilado de algodón. Para controlar la velocidad, el motor se usaba para bombear agua para una rueda hidráulica, que accionaba la maquinaria.

Motores de alta presion

A medida que avanzaba el siglo XVIII, se pedía mayor presión; Watt se resistió fuertemente a esto y usó el monopolio que le otorgó su patente para evitar que otros construyeran motores de alta presión y los usaran en vehículos. Desconfiaba de la tecnología de calderas de la época, la forma en que estaban construidas y la resistencia de los materiales utilizados.

Las ventajas importantes de los motores de alta presión eran:

  1. Podrían hacerse mucho más pequeños que antes para una potencia de salida dada. Por lo tanto, existía la posibilidad de que se desarrollaran máquinas de vapor que fueran lo suficientemente pequeñas y potentes para impulsarse a sí mismas y a otros objetos. Como resultado, la energía de vapor para el transporte ahora se convirtió en una práctica en forma de barcos y vehículos terrestres, lo que revolucionó los negocios de carga, los viajes, la estrategia militar y, esencialmente, todos los aspectos de la sociedad.
  2. Debido a su tamaño más pequeño, eran mucho menos costosos.
  3. No requerían las cantidades significativas de agua de refrigeración del condensador que necesitan los motores atmosféricos.
  4. Podrían diseñarse para funcionar a velocidades más altas, haciéndolos más adecuados para alimentar maquinaria.

Las desventajas eran:

  1. En el rango de baja presión, eran menos eficientes que los motores de condensación, especialmente si el vapor no se usaba de manera expansiva.
  2. Eran más susceptibles a las explosiones de calderas.

La principal diferencia entre cómo funcionan las máquinas de vapor de alta y baja presión es la fuente de la fuerza que mueve el pistón. En los motores de Newcomen y Watt, es la condensación del vapor lo que crea la mayor parte de la diferencia de presión, lo que genera presión atmosférica (Newcomen) y vapor a baja presión, rara vez más de 7 psi de presión de la caldera, más el vacío del condensador.(vatio), para mover el pistón. En un motor de alta presión, la mayor parte de la diferencia de presión la proporciona el vapor a alta presión de la caldera; el lado de baja presión del pistón puede estar a presión atmosférica o conectado a la presión del condensador. El diagrama indicador de Newcomen, casi todo por debajo de la línea atmosférica, vería un resurgimiento casi 200 años después con el cilindro de baja presión de los motores de triple expansión contribuyendo con aproximadamente el 20% de la potencia del motor, nuevamente casi completamente por debajo de la línea atmosférica.

El primer defensor conocido del "vapor fuerte" fue Jacob Leupold en su esquema para un motor que apareció en obras enciclopédicas de alrededor de 1725. También aparecieron varios proyectos para barcos y vehículos propulsados ​​por vapor a lo largo del siglo, siendo uno de los más prometedores la construcción de Nicolas-Joseph Cugnot, quien hizo una demostración de su "fardier" (vagón de vapor) en 1769. Si bien se desconoce la presión de trabajo utilizada para este vehículo, el pequeño tamaño de la caldera proporcionó una tasa de producción de vapor insuficiente para permitir que el fardier avanzara más de unos pocos cientos de metros a la vez antes de tener que detenerse para levantar vapor. Se propusieron otros proyectos y modelos, pero al igual que con el modelo de William Murdoch de 1784, muchos fueron bloqueados por Boulton y Watt.

Esto no se aplicó en los EE. UU., y en 1788 un barco de vapor construido por John Fitch operaba en un servicio comercial regular a lo largo del río Delaware entre Filadelfia, Pensilvania y Burlington, Nueva Jersey, transportando hasta 30 pasajeros. Este barco normalmente podía hacer de 7 a 8 millas por hora y viajó más de 2000 millas (3200 km) durante su breve período de servicio. El barco de vapor Fitch no fue un éxito comercial, ya que esta ruta estaba adecuadamente cubierta por caminos de carromatos relativamente buenos. En 1802 William Symington construyó un práctico barco de vapor, y en 1807 Robert Fulton usó una máquina de vapor Watt para impulsar el primer barco de vapor comercialmente exitoso.

Oliver Evans, a su vez, estaba a favor del "vapor fuerte" que aplicó a los motores de los barcos y a los usos estacionarios. Fue un pionero de las calderas cilíndricas; sin embargo, las calderas de Evans sufrieron varias explosiones graves de calderas, lo que tendió a aumentar las dudas de Watt. Fundó la Pittsburgh Steam Engine Company en 1811 en Pittsburgh, Pensilvania. La compañía introdujo máquinas de vapor de alta presión en el comercio de barcos fluviales en la cuenca del Mississippi.

La primera máquina de vapor de alta presión fue inventada en 1800 por Richard Trevithick.

La importancia de elevar el vapor a presión (desde un punto de vista termodinámico) es que alcanza una temperatura más alta. Por lo tanto, cualquier motor que utilice vapor a alta presión funciona a una temperatura y un diferencial de presión más altos que los que es posible con un motor de vacío a baja presión. El motor de alta presión se convirtió así en la base para la mayor parte del desarrollo posterior de la tecnología de vapor alternativo. Aun así, alrededor del año 1800, la "alta presión" equivalía a lo que hoy se consideraría muy baja presión, es decir, 40-50 psi (276-345 kPa), el punto es que el motor de alta presión en cuestión era sin condensación., impulsado únicamente por el poder expansivo del vapor, y una vez que el vapor había realizado el trabajo, generalmente se agotaba a una presión superior a la atmosférica.

El 21 de febrero de 1804, en la fundición de Penydarren en Merthyr Tydfil, Gales del Sur, se demostró la primera máquina de vapor o locomotora de vapor autopropulsada, construida por Richard Trevithick.

Motor de Cornualles y compuestos

Alrededor de 1811, Richard Trevithick se vio obligado a actualizar un motor de bombeo de Watt para adaptarlo a una de sus nuevas grandes calderas cilíndricas de Cornualles. Cuando Trevithick se fue a América del Sur en 1816, William Sims continuó con sus mejoras. En paralelo, Arthur Woolf desarrolló un motor compuesto de dos cilindros, de manera que el vapor se expandía en un cilindro de alta presión antes de ser liberado en uno de baja presión. Samuel Groase mejoró aún más la eficiencia, quien aisló la caldera, el motor y las tuberías.

La presión de vapor sobre el pistón se incrementó y finalmente alcanzó 40 psi (0,28 MPa) o incluso 50 psi (0,34 MPa) y ahora proporcionaba gran parte de la potencia para la carrera descendente; al mismo tiempo se mejoró la condensación. Esto aumentó considerablemente la eficiencia y se siguieron construyendo nuevos motores de bombeo en el sistema de Cornualles (a menudo conocidos como motores de Cornualles) a lo largo del siglo XIX. Los motores Watt más antiguos se actualizaron para adaptarse.

La adopción de estas mejoras de Cornualles fue lenta en las áreas de fabricación textil donde el carbón era barato, debido al mayor costo de capital de los motores y al mayor desgaste que sufrían. El cambio solo comenzó en la década de 1830, generalmente mediante la adición de otro cilindro (de alta presión).

Otra limitación de las primeras máquinas de vapor era la variabilidad de la velocidad, que las hacía inadecuadas para muchas aplicaciones textiles, especialmente la hilatura. Para obtener velocidades constantes, las primeras fábricas textiles a vapor usaban la máquina de vapor para bombear agua a una rueda hidráulica, que impulsaba la maquinaria.

Muchos de estos motores se suministraron en todo el mundo y brindaron un servicio confiable y eficiente durante muchos años con un consumo de carbón muy reducido. Algunos de ellos eran muy grandes y el tipo continuó construyéndose hasta la década de 1890.

Motor Corliss

La máquina de vapor Corliss (patentado en 1849) fue llamada la mayor mejora desde James Watt. El motor Corliss había mejorado mucho el control de la velocidad y la eficiencia, lo que lo hacía adecuado para todo tipo de aplicaciones industriales, incluida la hilatura.

Corliss usó puertos separados para el suministro y el escape de vapor, lo que impidió que el escape enfriara el pasaje utilizado por el vapor caliente. Corliss también usó válvulas parcialmente giratorias que proporcionaron una acción rápida, lo que ayudó a reducir las pérdidas de presión. Las válvulas en sí también eran una fuente de fricción reducida, especialmente en comparación con la válvula deslizante, que generalmente usaba el 10% de la potencia de un motor.

Corliss usó corte variable automático. El engranaje de la válvula controlaba la velocidad del motor usando el gobernador para variar la sincronización del corte. Esto fue en parte responsable de la mejora de la eficiencia además del mejor control de velocidad.

Máquina de vapor de 1868 expuesta en París
Máquina de vapor de 1868 expuesta en París

Máquina de vapor de alta velocidad Porter-Allen

El motor Porter-Allen, introducido en 1862, utilizaba un mecanismo de engranaje de válvula avanzado desarrollado para Porter por Allen, un mecánico de habilidad excepcional, y al principio se lo conocía generalmente como el motor Allen. El motor de alta velocidad era una máquina de precisión que estaba bien equilibrada, logros que fueron posibles gracias a los avances en las máquinas herramienta y la tecnología de fabricación.

El motor de alta velocidad funcionaba a velocidades de pistón de tres a cinco veces la velocidad de los motores ordinarios. También tenía baja variabilidad de velocidad. El motor de alta velocidad se usaba mucho en los aserraderos para accionar sierras circulares. Posteriormente se utilizó para la generación eléctrica.

El motor tenía varias ventajas. Podría, en algunos casos, acoplarse directamente. Si se usaran engranajes o correas y tambores, podrían ser de tamaños mucho más pequeños. El motor en sí también era pequeño para la cantidad de potencia que desarrollaba.

Porter mejoró enormemente el gobernador de bola volante al reducir el peso giratorio y agregar un peso alrededor del eje. Esto mejoró significativamente el control de la velocidad. El gobernador de Porter se convirtió en el tipo líder en 1880.

La eficiencia del motor Porter-Allen era buena, pero no igual a la del motor Corliss.

Motor Uniflow (o sin flujo)

El motor uniflow era el tipo más eficiente de motor de alta presión. Fue inventado en 1911 y se usó en barcos, pero fue desplazado por turbinas de vapor y más tarde por motores diesel marinos.