Máquina de vapor de vatios
El diseño de la máquina de vapor Watt se convirtió en sinónimo de las máquinas de vapor, y pasaron muchos años antes de que nuevos diseños significativos comenzaran a reemplazar el diseño básico de Watt.
Las primeras máquinas de vapor, introducidas por Thomas Newcomen en 1712, eran de tipo "atmosférico" diseño. Al final de la carrera de potencia, el peso del objeto movido por el motor tiró del pistón hacia la parte superior del cilindro a medida que se introducía vapor. Luego, el cilindro se enfrió con un chorro de agua, lo que provocó que el vapor se condensara, formando un vacío parcial en el cilindro. La presión atmosférica en la parte superior del pistón lo empujó hacia abajo, levantando el objeto de trabajo. James Watt notó que se requería una cantidad significativa de calor para volver a calentar el cilindro hasta el punto en que el vapor pudiera ingresar al cilindro sin condensarse inmediatamente. Cuando el cilindro estaba lo suficientemente caliente como para llenarse de vapor, podía comenzar la siguiente carrera de potencia.
Watt se dio cuenta de que el calor necesario para calentar el cilindro se podía ahorrar agregando un cilindro de condensación por separado. Una vez que el cilindro de potencia se llenó con vapor, se abrió una válvula al cilindro secundario, lo que permitió que el vapor fluyera hacia él y se condensara, lo que extrajo el vapor del cilindro principal y provocó la carrera de potencia. El cilindro de condensación se enfrió con agua para mantener la condensación del vapor. Al final de la carrera de potencia, la válvula se cerró para que el cilindro de potencia pudiera llenarse de vapor a medida que el pistón se movía hacia la parte superior. El resultado fue el mismo ciclo que el diseño de Newcomen, pero sin enfriamiento del cilindro de potencia, que estaba inmediatamente listo para otro golpe.
Watt trabajó en el diseño durante un período de varios años, presentó el condensador e introdujo mejoras en prácticamente todas las partes del diseño. En particular, Watt realizó una larga serie de pruebas sobre formas de sellar el pistón en el cilindro, lo que redujo considerablemente las fugas durante la carrera de potencia y previno la pérdida de potencia. Todos estos cambios produjeron un diseño más confiable que usaba la mitad de carbón para producir la misma cantidad de energía.
El nuevo diseño se introdujo comercialmente en 1776, con el primer ejemplo vendido a la herrería Carron Company. Watt continuó trabajando para mejorar el motor, y en 1781 introdujo un sistema que usaba un engranaje solar y planetario para convertir el movimiento lineal de los motores en un movimiento giratorio. Esto lo hizo útil no solo en la función de bombeo original, sino también como reemplazo directo en funciones en las que anteriormente se habría utilizado una rueda hidráulica. Este fue un momento clave en la revolución industrial, ya que las fuentes de energía ahora podían ubicarse en cualquier lugar en lugar de necesitar, como antes, una fuente de agua y una topografía adecuadas. El socio de Watt, Matthew Boulton, comenzó a desarrollar una multitud de máquinas que hacían uso de esta potencia rotatoria, desarrollando la primera fábrica industrializada moderna, Soho Foundry, que a su vez produjo nuevos diseños de máquinas de vapor. Los primeros motores de Watt eran como los diseños originales de Newcomen en el sentido de que utilizaban vapor a baja presión y toda la potencia se producía a partir de la presión atmosférica. Cuando, a principios del siglo XIX, otras empresas introdujeron las máquinas de vapor de alta presión, Watt se mostró renuente a hacer lo mismo por motivos de seguridad. Queriendo mejorar el rendimiento de sus motores, Watt comenzó a considerar el uso de vapor a mayor presión, así como diseños que utilizan múltiples cilindros tanto en el concepto de doble acción como en el concepto de expansión múltiple. Estos motores de doble efecto requerían la invención del movimiento paralelo, que permitía que las varillas de pistón de los cilindros individuales se movieran en línea recta, manteniendo el pistón alineado en el cilindro, mientras que el extremo de la viga móvil se movía a través de un arco, algo análogo a un cruceta en máquinas de vapor posteriores.
Introducción
En 1698, el diseñador mecánico inglés Thomas Savery inventó un dispositivo de bombeo que usaba vapor para sacar agua directamente de un pozo por medio de un vacío creado por la condensación del vapor. El aparato también se propuso para drenar minas, pero solo podía extraer fluido hasta aproximadamente 25 pies, lo que significa que tenía que ubicarse dentro de esta distancia del piso de la mina que se estaba drenando. A medida que las minas se hacían más profundas, esto a menudo no era práctico. También consumía una gran cantidad de combustible en comparación con los motores posteriores.
La solución para drenar minas profundas fue encontrada por Thomas Newcomen, quien desarrolló un sistema "atmosférico" motor que también funcionaba según el principio del vacío. Empleaba un cilindro que contenía un pistón móvil conectado por una cadena a un extremo de una viga oscilante que accionaba una bomba de elevación mecánica desde su extremo opuesto. En la parte inferior de cada carrera, se permitió que el vapor entrara en el cilindro debajo del pistón. A medida que el pistón se elevaba dentro del cilindro, impulsado hacia arriba por un contrapeso, aspiraba vapor a presión atmosférica. En la parte superior de la carrera, se cerró la válvula de vapor y se inyectó brevemente agua fría en el cilindro como medio para enfriar el vapor. Esta agua condensó el vapor y creó un vacío parcial debajo del pistón. La presión atmosférica fuera del motor era entonces mayor que la presión dentro del cilindro, empujando así el pistón hacia el interior del cilindro. El pistón, unido a una cadena y, a su vez, unido a un extremo de la 'viga oscilante', tiró hacia abajo del extremo de la viga, levantando el extremo opuesto de la misma. Por lo tanto, se impulsó la bomba en lo profundo de la mina unida al extremo opuesto de la viga a través de cuerdas y cadenas. La bomba empujó, en lugar de jalar, la columna de agua hacia arriba, por lo tanto, podía levantar agua a cualquier distancia. Una vez que el pistón estaba en el fondo, el ciclo se repetía.
El motor Newcomen era más potente que el motor Savery. Por primera vez se podía elevar el agua desde una profundidad de más de 100 yardas (91 m). El primer ejemplo de 1712 pudo reemplazar una yunta de 500 caballos que se había utilizado para bombear la mina. Se instalaron setenta y cinco motores de bombeo Newcomen en minas de Gran Bretaña, Francia, Holanda, Suecia y Rusia. En los siguientes cincuenta años, solo se realizaron algunos pequeños cambios en el diseño del motor. Fue un gran avance.
Si bien los motores Newcomen aportaron beneficios prácticos, eran ineficientes en términos del uso de energía para impulsarlos. El sistema de enviar alternativamente chorros de vapor y luego agua fría al cilindro significaba que las paredes del cilindro se calentaban alternativamente y luego se enfriaban con cada golpe. Cada carga de vapor introducida continuaría condensándose hasta que el cilindro se acercara nuevamente a la temperatura de trabajo. Así que en cada golpe se perdía parte del potencial del vapor.
Condensador separado
En 1763, James Watt trabajaba como fabricante de instrumentos en la Universidad de Glasgow cuando se le asignó el trabajo de reparar un modelo de motor Newcomen y notó lo ineficiente que era.
En 1765, Watt concibió la idea de equipar el motor con una cámara de condensación separada, a la que llamó "condensador". Debido a que el condensador y el cilindro de trabajo estaban separados, la condensación se produjo sin una pérdida significativa de calor del cilindro. El condensador permaneció frío y por debajo de la presión atmosférica en todo momento, mientras que el cilindro permaneció caliente en todo momento.
Se extrajo vapor de la caldera al cilindro debajo del pistón. Cuando el pistón alcanzó la parte superior del cilindro, la válvula de entrada de vapor se cerró y la válvula que controlaba el paso al condensador se abrió. El condensador, al estar a una presión más baja, extrajo el vapor del cilindro hacia el condensador, donde se enfrió y se condensó de vapor de agua a agua líquida, manteniendo un vacío parcial en el condensador que se comunicaba con el espacio del cilindro por el pasaje de conexión. Luego, la presión atmosférica externa empujó el pistón hacia abajo del cilindro.
La separación del cilindro y el condensador eliminó la pérdida de calor que se producía cuando el vapor se condensaba en el cilindro de trabajo de un motor Newcomen. Esto le dio al motor Watt una mayor eficiencia que el motor Newcomen, reduciendo la cantidad de carbón consumido mientras realizaba la misma cantidad de trabajo que un motor Newcomen.
En el diseño de Watt, el agua fría se inyectaba solo en la cámara de condensación. Este tipo de condensador se conoce como condensador de chorro. El condensador está ubicado en un baño de agua fría debajo del cilindro. El volumen de agua que ingresa al condensador como rocío absorbió el calor latente del vapor y se determinó como siete veces el volumen del vapor condensado. Luego, la bomba de aire eliminó el condensado y el agua inyectada, y el agua fría circundante sirvió para absorber la energía térmica restante para retener una temperatura del condensador de 30 °C a 45 °C y la presión equivalente de 0,04 a 0,1 bar.
En cada golpe, el condensado tibio se extraía del condensador y se enviaba a un pozo caliente mediante una bomba de vacío, que también ayudaba a evacuar el vapor de debajo del cilindro de potencia. El condensado aún tibio se recicló como agua de alimentación para la caldera.
La siguiente mejora de Watt al diseño de Newcomen fue sellar la parte superior del cilindro y rodearlo con una camisa. El vapor pasaba a través de la camisa antes de ser admitido debajo del pistón, manteniendo calientes el pistón y el cilindro para evitar la condensación en su interior. La segunda mejora fue la utilización de la expansión del vapor contra el vacío del otro lado del pistón. El suministro de vapor se cortó durante la carrera y el vapor se expandió contra el vacío en el otro lado. Esto aumentó la eficiencia del motor, pero también creó un par variable en el eje que no era deseable para muchas aplicaciones, en particular, el bombeo. Por lo tanto, Watt limitó la expansión a una proporción de 1:2 (es decir, el suministro de vapor se cortó a la mitad de la carrera). Esto aumentó la eficiencia teórica del 6,4 % al 10,6 %, con solo una pequeña variación en la presión del pistón. Watt no usó vapor a alta presión por motivos de seguridad.
Estas mejoras llevaron a la versión completamente desarrollada de 1776 que realmente entró en producción.
La asociación de Matthew Boulton y James Watt
El condensador separado mostró un gran potencial para mejorar el motor de Newcomen, pero Watt aún estaba desanimado por problemas aparentemente insuperables antes de que se pudiera perfeccionar un motor comercializable. Fue solo después de asociarse con Matthew Boulton que esto se hizo realidad. Watt le contó a Boulton sus ideas para mejorar el motor, y Boulton, un ávido empresario, acordó financiar el desarrollo de un motor de prueba en Soho, cerca de Birmingham. Por fin, Watt tuvo acceso a las instalaciones y la experiencia práctica de los artesanos que pronto pudieron hacer funcionar el primer motor. Completamente desarrollado, usó aproximadamente un 75% menos de combustible que un Newcomen similar.
En 1775, Watt diseñó dos motores grandes: uno para Bloomfield Colliery en Tipton, completado en marzo de 1776, y otro para la herrería de John Wilkinson en Broseley en Shropshire, que estaba en funcionamiento el mes siguiente. Un tercer motor, en Stratford-le-Bow, en el este de Londres, también estaba funcionando ese verano.
Watt había intentado sin éxito durante varios años obtener un cilindro perforado con precisión para sus máquinas de vapor y se vio obligado a utilizar hierro martillado, que estaba fuera de redondez y provocaba fugas a través del pistón. Joseph Wickham Roe declaró en 1916: "Cuando [John] Smeaton vio el primer 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". span style="padding-right:.15em;">'".
En 1774, John Wilkinson inventó una máquina perforadora en la que el eje que sostenía la herramienta de corte estaba apoyado en ambos extremos y se extendía a través del cilindro, a diferencia de las perforadoras en voladizo que se usaban entonces. Boulton escribió en 1776 que "Mr. Wilkinson nos ha aburrido varios cilindros casi sin error; el de 50 pulgadas de diámetro, que hemos puesto en Tipton, no se equivoca en el espesor de un viejo chelín en ninguna parte.
La práctica de Boulton y Watt consistía en ayudar a los propietarios de minas y otros clientes a construir motores, proporcionando hombres para montarlos y algunas piezas especializadas. Sin embargo, su principal beneficio de su patente se derivó del cobro de una tarifa de licencia a los propietarios del motor, en función del costo del combustible que ahorraron. La mayor eficiencia de combustible de sus motores significaba que eran más atractivos en áreas donde el combustible era caro, particularmente Cornwall, para el cual se encargaron tres motores en 1777, para las minas Wheal Busy, Ting Tang y Chacewater.
Mejoras posteriores
Los primeros motores Watt eran motores de presión atmosférica, como el motor Newcomen pero con la condensación separada del cilindro. Impulsar los motores utilizando vapor a baja presión y vacío parcial planteó la posibilidad de desarrollar motores alternativos. Una disposición de válvulas podría admitir alternativamente vapor a baja presión en el cilindro y luego conectarse con el condensador. En consecuencia, la dirección de la carrera de potencia podría invertirse, facilitando la obtención de un movimiento rotatorio. Los beneficios adicionales del motor de doble efecto fueron una mayor eficiencia, mayor velocidad (mayor potencia) y un movimiento más regular.
Antes del desarrollo del pistón de doble efecto, el enlace a la viga y al vástago del pistón se hacía por medio de una cadena, lo que significaba que la potencia solo podía aplicarse en una dirección, tirando. Esto era efectivo en los motores que se usaban para bombear agua, pero la doble acción del pistón significaba que podía empujar y tirar. Esto no fue posible mientras la viga y la varilla estuvieran conectadas por una cadena. Además, no era posible conectar el vástago del cilindro sellado directamente a la viga, porque mientras la varilla se movía verticalmente en línea recta, la viga giraba en su centro, con cada lado inscribiendo un arco. Para salvar las acciones en conflicto de la viga y el pistón, Watt desarrolló su movimiento paralelo. Este dispositivo utilizaba un enlace de cuatro barras acoplado con un pantógrafo para producir el movimiento en línea recta requerido de forma mucho más económica que si hubiera utilizado un enlace de tipo deslizante. Estaba muy orgulloso de su solución.
Tener la viga conectada al eje del pistón por un medio que aplicaba fuerza alternativamente en ambas direcciones también significaba que era posible usar el movimiento de la viga para hacer girar una rueda. La solución más sencilla para transformar la acción de la viga en un movimiento giratorio era conectar la viga a una rueda mediante una manivela, pero como otra parte tenía los derechos de patente sobre el uso de la manivela, Watt se vio obligado a encontrar otra solución. Adoptó el sistema de engranaje planetario y sol epicicloidal sugerido por un empleado, William Murdoch, y solo más tarde volvió, una vez que expiraron los derechos de patente, al cigüeñal más familiar que se ve en la mayoría de los motores en la actualidad. La rueda principal unida a la manivela era grande y pesada, sirviendo como un volante que, una vez puesto en movimiento, por su impulso mantenía una potencia constante y suavizaba la acción de los golpes alternos. A su eje central giratorio se le podían acoplar correas y engranajes para accionar una gran variedad de maquinaria.
Debido a que la maquinaria de la fábrica necesitaba operar a una velocidad constante, Watt vinculó una válvula reguladora de vapor a un gobernador centrífugo que adaptó de los que se usan para controlar automáticamente la velocidad de los molinos de viento. El centrífugo no era un verdadero controlador de velocidad porque no podía mantener una velocidad establecida en respuesta a un cambio en la carga.
Estas mejoras permitieron que la máquina de vapor reemplazara a la rueda hidráulica y los caballos como las principales fuentes de energía de la industria británica, liberándola así de las limitaciones geográficas y convirtiéndose en uno de los principales impulsores de la Revolución Industrial.
Watt también se preocupó por la investigación fundamental sobre el funcionamiento de la máquina de vapor. Su dispositivo de medición más notable, todavía en uso hoy en día, es el indicador Watt que incorpora un manómetro para medir la presión del vapor dentro del cilindro según la posición del pistón, lo que permite producir un diagrama que representa la presión del vapor en función de su volumen durante todo el ciclo.
Motores Watt conservados
El motor Watt más antiguo que se conserva es Old Bess de 1777, ahora en el Museo de Ciencias de Londres. El motor en funcionamiento más antiguo del mundo es el Smethwick Engine, puesto en servicio en mayo de 1779 y ahora en Thinktank en Birmingham (anteriormente en el ahora desaparecido Museo de Ciencia e Industria de Birmingham). El más antiguo que todavía conserva su casa de máquinas original y que aún puede hacer el trabajo para el que fue instalado es el motor Boulton and Watt de 1812 en la estación de bombeo de Crofton en Wiltshire. Esto se utilizó para bombear agua para el canal Kennet y Avon; en ciertos fines de semana durante todo el año, las bombas modernas se apagan y las dos máquinas de vapor en Crofton aún realizan esta función. La máquina de vapor rotativa más antigua que existe, la Whitbread Engine (de 1785, la tercera máquina rotativa jamás construida), se encuentra en el Museo Powerhouse en Sydney, Australia. Un motor Boulton-Watt de 1788 se puede encontrar en el Museo de Ciencias de Londres, mientras que un motor de soplado de 1817, utilizado anteriormente en la fundición de Netherton de M W Grazebrook, ahora decora Dartmouth Circus, una isla de tráfico al comienzo de la A38 (M) autopista en Birmingham.
El Museo Henry Ford en Dearborn, Michigan, alberga una réplica de un motor rotativo de 1788 vatios. Es un modelo de trabajo a escala real de un motor Boulton-Watt. El industrial estadounidense Henry Ford encargó la réplica del motor al fabricante inglés Charles Summerfield en 1932. El museo también posee un motor de bomba atmosférica Boulton and Watt original, utilizado originalmente para el bombeo de canales en Birmingham, ilustrado a continuación, y en uso in situ en el Bowyer Estación de bombeo de la calle desde 1796 hasta 1854, y luego trasladada a Dearborn en 1929.
El motor 1817 en Birmingham, Inglaterra
Motor de bomba atmosférica Watt (1796) en el Museo Henry Ford
Motor de vatios producido por Hathorn, Davey and Co
En la década de 1880, Hathorn Davey and Co / Leeds produjo un motor atmosférico de 1 hp / 125 rpm con condensador externo pero sin expansión de vapor. Se ha argumentado que este fue probablemente el último motor atmosférico comercial que se fabricó. Como motor atmosférico, no disponía de caldera presurizada. Estaba destinado a las pequeñas empresas.
Acontecimientos recientes
El motor de expansión de Watt generalmente se considera solo de interés histórico. Sin embargo, hay algunos desarrollos recientes que pueden conducir a un renacimiento de la tecnología. Hoy en día, existe una enorme cantidad de vapor residual y calor residual con temperaturas entre 100 y 150 °C generados por la industria. Además, los colectores solares térmicos, las fuentes de energía geotérmica y los reactores de biomasa producen calor en este rango de temperatura. Existen tecnologías para utilizar esta energía, en particular el Ciclo Orgánico de Rankine. En principio, se trata de turbinas de vapor que no utilizan agua sino un fluido (un refrigerante) que se evapora a temperaturas inferiores a 100 °C. Tales sistemas son, sin embargo, bastante complejos. Trabajan con presiones de 6 a 20 bares, por lo que todo el sistema tiene que estar completamente sellado.
El Expansion Engine puede ofrecer ventajas significativas aquí, en particular para potencias nominales más bajas de 2 a 100 kW: con relaciones de expansión de 1:5, la eficiencia teórica alcanza el 15 %, que está en el rango de los sistemas ORC. El motor de expansión utiliza agua como fluido de trabajo que es simple, económico, no tóxico, no inflamable y no corrosivo. Funciona a presiones cercanas e inferiores a la atmosférica, por lo que el sellado no es un problema. Y es una máquina simple, lo que implica rentabilidad. Investigadores de la Universidad de Southampton/Reino Unido están desarrollando actualmente una versión moderna del motor de Watt para generar energía a partir de vapor residual y calor residual. Mejoraron la teoría, demostrando que son posibles eficiencias teóricas de hasta el 17,4 % (y eficiencias reales del 11 %).
Para demostrar el principio, se construyó y probó un motor modelo experimental de 25 vatios. El motor incorpora expansión de vapor además de novedades como el control electrónico. La imagen muestra el modelo construido y probado en 2016. Actualmente, se está preparando un proyecto para construir y probar un motor ampliado de 2 kW.