Motor atmosférico Newcomen

Motor Schematic Newcomen.
– Steam (pink), agua (azul)
– Válvulas abiertas (verde), válvulas cerradas (rojo)

La máquina atmosférica fue inventada por Thomas Newcomen en 1712, y a menudo se la denomina máquina de bomberos de Newcomen (ver más abajo) o simplemente como máquina de Newcomen motor. El motor funcionaba condensando el vapor aspirado hacia el cilindro, creando así un vacío parcial que permitía que la presión atmosférica empujara el pistón hacia el interior del cilindro. Fue históricamente significativo como el primer dispositivo práctico para aprovechar el vapor para producir trabajo mecánico. Los motores Newcomen se utilizaron en toda Gran Bretaña y Europa, principalmente para extraer agua de las minas. Se construyeron cientos a lo largo del siglo XVIII.

El diseño posterior del motor de James Watt fue una versión mejorada del motor Newcomen que prácticamente duplicó la eficiencia del combustible. Muchos motores atmosféricos se convirtieron al diseño Watt, por un precio que se basó 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.

Precursoras

Antes de Newcomen, se habían fabricado una serie de pequeños dispositivos de vapor de varios tipos, pero la mayoría eran esencialmente novedades. Alrededor de 1600, varios experimentadores utilizaron vapor para impulsar pequeñas fuentes que funcionaban como una cafetera. Primero se llenó un recipiente con agua a través de una tubería, que se extendía a través de la parte superior del recipiente hasta casi el fondo. La parte inferior de la tubería se sumergiría en el agua, lo que haría que el recipiente fuera hermético. Luego se calentó el recipiente para hacer hervir el agua. El vapor generado presurizó el recipiente, pero el tubo interior, sumergido en el fondo por líquido y sin un sello hermético en la parte superior, permaneció a una presión más baja; el vapor en expansión obligó al agua en el fondo del recipiente a entrar y subir por la tubería para salir a borbotones por una boquilla en la parte superior. Estos dispositivos tenían una efectividad 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 accionada por vapor. La bomba se utilizó con éxito para drenar las minas inundadas de Guadalcanal, España.

En 1662, Edward Somerset, segundo marqués de Worcester, publicó un libro que contenía varias ideas en las que había estado trabajando. Uno era para una bomba de vapor para suministrar agua a las fuentes; el dispositivo utilizaba alternativamente vacío parcial y presión de vapor. Se llenaron alternativamente dos recipientes con vapor, luego se rociaron con agua fría haciendo que el vapor dentro se condensara; esto produjo un vacío parcial que sacaría agua a través de una tubería desde un pozo hasta el contenedor. Luego, una nueva carga de vapor bajo presión condujo el agua desde el recipiente por otra tubería hasta un cabezal de nivel superior antes de que el vapor se condensara y el ciclo se repitiera. Al trabajar los dos contenedores alternativamente, se podría aumentar la tasa de entrega al tanque de cabecera.

El 'amigo del minero' de Savery

En 1698, Thomas Savery patentó una bomba impulsada por vapor que llamó 'Miner's Friend', esencialmente idéntica al diseño de Somerset y casi con seguridad una copia directa. El proceso de enfriamiento y creación del vacío fue bastante lento, por lo que Savery luego agregó un rociador externo de agua fría para enfriar rápidamente el vapor.

La invención de Savery no puede considerarse estrictamente como el primer 'motor' de vapor. ya que no tenía partes móviles y no podía transmitir su energía a ningún dispositivo externo. Evidentemente, había grandes esperanzas puestas en Miner's Friend, lo que llevó al Parlamento a extender la vida de la patente en 21 años, de modo que la patente de 1699 no expiraría hasta 1733. Desafortunadamente, el dispositivo de Savery demostró ser mucho menos éxito de lo que se esperaba.

Un problema teórico con el dispositivo de Savery se derivaba del hecho de que una aspiradora solo podía elevar el agua hasta una altura máxima de unos 30 pies (9 m); a esto se podrían agregar otros 40 pies (12 m), más o menos, elevados por la presión del vapor. Esto fue insuficiente para sacar agua 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 inconvenientes y algún tipo de bomba mecánica que funcionaba a nivel de la superficie, una que levantaba el agua directamente en lugar de "sucrla" arriba – era deseable. Tales bombas ya eran comunes, impulsadas por caballos, pero requerían un impulso alternativo vertical que el sistema de Savery no proporcionaba. El problema más práctico se relacionaba con tener una caldera operando bajo presión, como se demostró cuando explotó la caldera de un motor en Wednesbury, quizás en 1705.

Pistón y cilindro de vapor experimental de Denis Papin

Louis Figuier en su obra monumental da una cita completa del artículo de Denis Papin publicado en 1690 en Acta eruditorum en Leipzig, titulado "Nouvelle méthode pour obtenerir à bas prix des force 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 primero verter una pequeña cantidad de agua en el fondo de un cilindro vertical, insertar un pistón en una varilla y después de evacuar primero el aire debajo del pistón, colocar un fuego debajo del cilindro para hervir el agua y crear suficiente presión de vapor para levante el pistón hasta el extremo superior del cilindro. Luego, el pistón se bloqueó temporalmente en la posición superior mediante un resorte que se enganchó en una muesca en la varilla. Luego se eliminó el fuego, lo que permitió que el cilindro se enfriara, lo que condensó el vapor nuevamente en agua, creando así un vacío debajo del pistón. Al final del vástago del pistón se unió una cuerda que pasaba sobre dos poleas y un peso colgaba del extremo de la cuerda. Al soltar el pestillo, el pistón descendió bruscamente hasta el fondo del cilindro por la diferencia de presión entre la atmósfera y el vacío creado; por lo tanto, se generó suficiente fuerza para levantar un peso de 60 lb (27 kg). "Varios de sus documentos se presentaron ante la Royal Society entre 1707 y 1712 [incluida] una descripción de su máquina de vapor atmosférica de 1690, similar a la construida y [posteriormente] puesta en uso por Thomas Newcomen en 1712".;

Introducción y difusión

Motor de Newcomen representado en 2/- nota de la Provincia de Nueva York, 1775

Newcomen llevó adelante el experimento de Papin y lo hizo viable, aunque existe poca información sobre cómo sucedió exactamente. El principal problema al que Papin no había dado solución era cómo hacer que la acción se repitiera a intervalos regulares. El camino a seguir era proporcionar, como había hecho Savery, una caldera capaz de asegurar la continuidad del suministro de vapor al cilindro, proporcionar la carrera de vacío al condensar el vapor y eliminar el agua una vez condensada. El pistón de potencia estaba colgado con cadenas del extremo de una viga oscilante. A diferencia del dispositivo de Savery, el bombeo era completamente mecánico, el trabajo de la máquina de vapor consistía en levantar una barra con peso colgada del extremo opuesto de la viga oscilante. La varilla descendió por el pozo de la mina por gravedad e impulsó una bomba de fuerza, o una bomba de pértiga (o más a menudo un grupo de dos) dentro del pozo de la mina. La carrera de succión de la bomba era solo para la longitud de la carrera ascendente (cebado), en consecuencia, ya no existía la restricción de 30 pies de una bomba de vacío y se podía forzar el agua hacia arriba en 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 colocarse detrás de una pared de separación con una tubería de vapor de conexión. Hacer todo este trabajo requería la habilidad de un ingeniero práctico; El oficio de Newcomen como "ferretero" o un comerciante de metales le habría dado un conocimiento práctico significativo de qué materiales serían adecuados para tal motor y lo habría puesto en contacto con personas que tenían un conocimiento aún más detallado.

Los primeros ejemplos de los que existen registros confiables fueron dos locomotoras en Black Country, de las cuales la más famosa fue la erigida en 1712 en Conygree Coalworks en Bloomfield Road Tipton, ahora el sitio de "The Angle Ring Company Limited& #34; Tiptón. Este es generalmente aceptado como el primer motor Newcomen exitoso y seguido por uno construido a una milla y media al este de Wolverhampton. Ambos fueron utilizados por Newcomen y su socio John Calley para bombear minas de carbón llenas de agua. Hoy se puede ver una réplica en funcionamiento en el cercano Black Country Living Museum, que se encuentra en otra parte de lo que fue el parque Conygree de Lord Dudley. Otra locomotora Newcomen estaba en Cornualles. Su ubicación es incierta, pero se sabe que uno estaba en funcionamiento en la mina Wheal Vor en 1715. Pronto llegaron 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. Dado que 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 incorporada, los propietarios de la invención para elevar el agua por fuego.

Aunque su primer uso fue en áreas mineras de carbón, el motor de Newcomen también se usó para extraer 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 un centenar de sus motores, no solo en West Country y Midlands, sino también en el norte de Gales, cerca de Newcastle y en Cumbria. Se construyeron pequeños números en otros países europeos, incluso en Francia, Bélgica, España y Hungría, también en Dannemora, Suecia. La evidencia del uso de un motor de vapor Newcomen asociado con las primeras minas de carbón se encontró en 2010 en Midlothian, VA (sitio de algunas de las primeras minas de carbón en los EE. UU.). (Encuesta de Dutton and Associates del 24 de noviembre de 2009).

Diagrama del motor de vapor Newcomen

Detalles técnicos

Componentes

Aunque se basaba en principios simples, el motor de Newcomen era bastante complejo y mostraba signos de desarrollo incremental, y los problemas se abordaban empíricamente a medida que surgían. Consistía en una caldera A, normalmente una caldera de pajar, situada directamente debajo del cilindro. Esto produjo grandes cantidades de vapor a muy baja presión, no más de 1 a 2 psi (0,07 a 0,14 bar), la presión máxima permitida para una caldera que en versiones anteriores estaba hecha de cobre con una parte superior abovedada de plomo y luego ensamblada completamente 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 muy sólida del hastial de la casa del motor especialmente construida con el lado de la bomba sobresaliendo fuera del edificio, estando el motor ubicado en casa. Las varillas de la bomba colgaban de una cadena de la cabeza del arco F de la gran viga. De la cabeza arqueada interna D estaba suspendido un pistón P que trabajaba en un cilindro B, cuyo extremo superior estaba abierto hacia el atmósfera por encima del pistón y el extremo inferior cerrado, excepto el tubo corto de admisión que conecta 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 diámetro interior del cilindro estaba terminado a mano y no era absolutamente cierto, se tenía que 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 una cabeza de arco más pequeña. El depósito de cabecera suministraba agua fría a presión a través de un tubo vertical para condensar el vapor en el cilindro con un pequeño ramal que suministraba el agua de sellado del cilindro; en cada carrera superior del pistón, el exceso de agua de sellado caliente rebosaba por dos tuberías, una hacia el pozo interno y la otra para alimentar la caldera por gravedad.

Operación

El equipo de la bomba era más pesado que el pistón de vapor, por lo 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 denominaba "fuera de la casa".

Para arrancar el motor, se abrió la válvula reguladora V y se admitió vapor en el cilindro desde la caldera, llenando el espacio debajo del pistón. Luego se cerró la válvula reguladora y la válvula de inyección de agua V' se abrió y cerró brevemente, enviando un chorro de agua fría al cilindro. Esto condensó el vapor y creó un vacío parcial debajo del pistón. El diferencial de presión entre la atmósfera por encima del pistón y el vacío parcial por debajo luego empujó el pistón hacia abajo haciendo la carrera de potencia, trayendo el haz 'dentro de la casa'. y levantando el engranaje de la bomba.

Luego se volvió a admitir vapor en el cilindro, lo que destruyó el vacío y condujo el condensado por el conducto de hundimiento o "educción" tubo. 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 y, al mismo tiempo, impulsaban el agua hacia arriba desde la mina.

Este ciclo se repitió unas 12 veces por minuto.

Válvula de extracción

Newcomen descubrió que su primer motor dejaba de funcionar después de un tiempo y finalmente descubrió que esto se debía a que pequeñas cantidades de aire ingresaban al cilindro con el vapor. El agua generalmente contiene algo de aire disuelto, y al hervir el agua se libera con el vapor. Este aire no pudo ser condensado por el rocío de agua y se acumuló gradualmente hasta que el motor quedó "atrapado por el viento". Para evitar esto, una válvula de liberación llamada "snifting clack" o se incluyó una válvula de drenaje cerca de la parte inferior del cilindro. Este se abrió brevemente cuando se admitió vapor por primera vez y se expulsó gas no condensable del cilindro. Su nombre se deriva del ruido que hacía cuando operaba para liberar el aire y el vapor "como un hombre resfriado".

Automatización

Humphry Potter atar sus cuerdas.

En las primeras versiones, las válvulas o tapones, como se llamaban entonces, eran operadas manualmente por el tapón, pero la acción repetitiva exigía una sincronización precisa, lo que hacía deseable la acción automática.. Este se conseguía por medio de un árbol de enchufe que era una viga suspendida verticalmente junto al cilindro desde una pequeña cabeza de arco mediante cadenas cruzadas, siendo su función abrir y cerrar las válvulas automáticamente cuando la viga alcanzaba ciertas posiciones., mediante taqués y mecanismos de escape mediante pesas. En el motor 1712, la bomba de alimentación de agua estaba unida a la parte inferior del árbol del enchufe, pero los motores posteriores tenían la bomba suspendida en el exterior de una pequeña cabeza de arco separada. Existe una leyenda común que dice que en 1713 un chico gallo llamado Humphrey Potter, cuyo deber era abrir y cerrar las válvulas de un motor al que asistía, hizo que el motor actuara por sí mismo haciendo que la viga misma se moviera. abrir y cerrar las válvulas mediante cuerdas y cierres adecuados (conocidos como "cuerdas de alfarero"); sin embargo, el dispositivo de árbol de bujía (la primera forma de engranaje de válvula) era muy probablemente una práctica establecida antes de 1715, y está claramente representado en las primeras imágenes conocidas de los motores Newcomen de Henry Beighton (1717) (Hulse cree que representa el motor de mina de carbón Griff de 1714) y por Thomas Barney (1719) (que representa la locomotora del castillo de Dudley de 1712). Debido a la gran demanda de vapor, el motor tenía que pararse y reiniciarse periódicamente, pero incluso este proceso se automatizó 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 se detenía y bloqueaba la válvula de inyección de agua hasta que se levantaba más vapor.

Bombas

La mayoría de las imágenes muestran solo el lado del motor y no brindan información sobre las bombas. La opinión actual es que, al menos en los primeros motores, se usaban bombas de fuerza de peso muerto, siendo el trabajo del motor únicamente levantar el lado de la bomba para prepararlo para la siguiente carrera descendente de la bomba. Esta es la disposición utilizada para la réplica del castillo de Dudley, que funciona efectivamente a la velocidad indicada original de 12 golpes por minuto/10 galones (54,6 litros) levantados por golpe. Los últimos motores Watt funcionaban con bombas de elevación impulsadas por la carrera del motor y es posible que las versiones posteriores del motor Newcomen también lo hicieran.

Desarrollo y aplicación

Boceto de lápiz del motor de vapor Newcomen mejorado por Smeaton, desde Ciencias populares mensual circa 1877

Hacia el final de su carrera, John Smeaton, quien construyó muchos motores grandes de este tipo durante la década de 1770, mejoró mucho los detalles mecánicos y las proporciones del motor atmosférico. La necesidad urgente de un motor para dar movimiento rotatorio se estaba haciendo sentir y Wasborough y Pickard lo hicieron con un éxito limitado utilizando un motor Newcomen para impulsar un volante a través de una manivela. Aunque el principio de la manivela se conocía desde hacía mucho tiempo, Pickard logró obtener una patente de 12 años en 1780 para la aplicación específica de la manivela a las máquinas de vapor; esto fue un revés para Boulton y Watt, quienes eludieron la patente al aplicar el movimiento del sol y el planeta a su avanzado motor rotativo de doble acción de 1782.

Hacia 1725, el motor Newcomen era de uso común en la minería, especialmente en las minas de carbón. Ocupó su lugar con pocos cambios materiales durante el resto del siglo. El uso del motor Newcomen se amplió en algunos lugares para bombear el suministro de agua municipal; por ejemplo, el primer motor Newcomen en Francia se construyó en Passy en 1726 para bombear agua desde el Sena hasta la ciudad de París. También se usaba para accionar maquinaria indirectamente, devolviendo agua desde debajo de una rueda hidráulica a un depósito sobre ella, de modo que la misma agua pudiera hacer girar la rueda nuevamente. Uno de los primeros ejemplos de esto fue en Coalbrookdale. En 1735 se instaló una bomba impulsada por caballos para devolver el agua a la piscina sobre el antiguo alto horno. Este fue reemplazado por un motor Newcomen en 1742–3. Varios hornos nuevos construidos en Shropshire en la década de 1750 funcionaron de manera similar, incluidos los hornos Horsehay y Ketley y los hornos Madeley Wood o Bedlam. Este último no parece haber tenido una piscina sobre el horno, simplemente un tanque en el que se bombeaba el agua. En otras industrias, el bombeo con motor era menos común, pero Richard Arkwright usó un motor para proporcionar energía adicional a su fábrica de algodón.

Se hicieron intentos para impulsar la maquinaria con motores Newcomen, pero no tuvieron éxito, ya que la única carrera de potencia producía un movimiento muy brusco.

Sucesor

Motor de estilo Newcomen en Elsecar Heritage Centre, en 2006

El principal problema con el diseño de Newcomen era que usaba energía de manera ineficiente y, por lo tanto, era costoso de operar. Después de que el vapor de agua del interior se enfriara lo suficiente como para crear el vacío, las paredes del cilindro estaban lo suficientemente frías como para condensar parte del vapor a medida que se admitía durante la siguiente carrera de admisión. Esto significaba que se estaba usando una cantidad considerable de combustible solo para calentar el cilindro hasta el punto en que el vapor comenzaría a llenarlo nuevamente. Como las pérdidas de calor estaban relacionadas con las superficies, mientras que el trabajo útil estaba relacionado con el volumen, los aumentos en el tamaño del motor aumentaron la eficiencia y los motores Newcomen se hicieron más grandes con el tiempo. Sin embargo, la eficiencia no importaba mucho en el contexto de una mina de carbón, donde el carbón estaba disponible libremente.

El motor de Newcomen solo se reemplazó cuando James Watt lo mejoró en 1769 para evitar este problema (la Universidad de Glasgow le había pedido a Watt que reparara un modelo de un motor Newcomen; un modelo pequeño que exageraba el problema). En la máquina de vapor de Watt, la condensación tenía lugar en una unidad de condensador 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 hacia arriba y hacia abajo, aumentando la cantidad de potencia del motor sin un gran aumento en el tamaño del motor.

El diseño de Watt, introducido en 1769, no eliminó los motores Newcomen de inmediato. La vigorosa defensa de Watt de sus patentes resultó en el uso continuado del motor Newcomen en un esfuerzo por evitar el pago de regalías. Cuando expiraron sus patentes en 1800, hubo prisa por instalar motores Watt, y los motores Newcomen quedaron eclipsados, incluso en las minas de carbón.

Ejemplos de supervivencia

El motor conmemorativo de Newcomen se puede ver en funcionamiento en la ciudad natal de Newcomen, Dartmouth, donde fue trasladado en 1963 por la Newcomen Society. Se cree que data de 1725, cuando se instaló inicialmente en Griff Colliery, cerca de Coventry.

Se instaló un motor en una mina de carbón en Ashton-under-Lyne alrededor de 1760. Conocido localmente como Fairbottom Bobs, ahora se conserva en el Museo Henry Ford en Dearborn, Michigan.

El único motor de estilo Newcomen que aún existe en su ubicación original se encuentra en lo que ahora es Elsecar Heritage Centre, cerca de Barnsley en South Yorkshire. Este fue probablemente el último motor de estilo Newcomen utilizado comercialmente, ya que funcionó desde 1795 hasta 1923. El motor se sometió a extensos trabajos de conservación, junto con su eje y cámara de máquinas originales, que se completaron en otoño de 2014.

Un ejemplo estático de un motor Newcomen se encuentra en el Museo de Ciencias.

Un ejemplo estático de un motor Newcomen se encuentra en el Museo Nacional de Escocia. Anteriormente en Caprington Colliery en Kilmarnock.

Un ejemplo, utilizado originalmente en Farme Colliery, se exhibe en Summerlee, Museo de la vida industrial escocesa; inusualmente, se usó para enrollar en lugar de bombear agua, y había estado en funcionamiento durante casi un siglo cuando se examinó in situ en 1902.

Una réplica de trabajo de un motor Newcomen en el Black Country Living Museum

En 1986, se completó una réplica operativa a gran escala de la máquina de vapor Newcomen de 1712 en el Black Country Living Museum en Dudley. Es la única réplica funcional de tamaño completo del motor que existe. El 'camión de bomberos' como se le 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 operan bombas en el fondo del pozo de la mina que elevan el agua a la superficie. El motor en sí es simple, con solo una caldera, un cilindro y un pistón y válvulas operativas. Un fuego de carbón calienta el agua en la caldera que es poco más que una olla tapada y el vapor generado luego pasa a través de una válvula hacia el cilindro de latón sobre la caldera. El cilindro mide más de 2 metros de largo y 52 centímetros de diámetro. El vapor en el cilindro se condensa inyectando agua fría y el vacío debajo del pistón empuja el extremo interior de la viga hacia abajo y hace que la bomba se mueva.