Máquina de vapor
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Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía de una cantidad de vapor de agua en trabajo mecánico o cinético. En esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas:
- se genera el vapor de agua en una caldera cerrada, por calentamiento directo mediante la quema de algún combustible —carbón o madera en sus inicios, derivados del petróleo y gas natural con posterioridad—
- el vapor a presión se introduce en el cilindro arrastrando el émbolo o pistón en su expansión; empleando un mecanismo de biela - manivela éste se puede transformar en un movimiento de rotación de, por ejemplo, el rotor de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial expulsando el vapor de agua.
El ciclo se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la renovación de la carga, es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro.
El motor o máquina de vapor se utilizó extensamente durante la Revolución Industrial, en cuyo desarrollo tuvo un papel relevante para mover máquinas y aparatos tan diversos como bombas, locomotoras, motores marinos, etc. Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no son ya de émbolo o desplazamiento positivo como las descritas, sino que son turbomáquinas, es decir, atravesadas por un flujo continuo de vapor y reciben la denominación genérica de turbinas de vapor. En la actualidad la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares, ya que se ha visto desplazado especialmente por el motor eléctrico en la maquinaria industrial y por el motor de combustión interna en el transporte.
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[editar] Evolución histórica
Muchos han sido los autores que han intentado determinar la fecha de la invención de la máquina de vapor atribuyéndola a tal o cual inventor, intento vano ya que la historia de su desarrollo está plagada de nombres propios. Desde la recopilación de Herón hasta la sofisticada máquina de Watt son multitud las mejoras que en Inglaterra y especialmente en el contexto de una incipiente Revolución Industrial en los siglos XVII y XVIII condujeron sin solución de continuidad desde los rudimentarios primeros aparatos sin aplicación práctica a la invención del motor universal que llegó a implantarse en todas las industrias y utilizarse en el transporte desplazando los tradicionales motores como el animal de tiro, el molino o la propia fuerza del hombre.
[editar] Primeras tentativas
Entre las reliquias de la civilización egipcia encontramos el primer registro conocido de una máquina de vapor en el manuscrito de Herón de Alejandría titulado Spiritalia seu Pneumatica. Los aparatos allí descritos no se sabe con certeza si fueron obra del ingenio de Herón porque él mismo dice en su obra que su intención no es otra que recopilar las máquinas que ya eran conocidas y añadir las inventadas por él. Nada en el texto indica quien pudo ser el artífice de los dispositivos descritos y se sospecha que muchos puedan ser, en realidad, obra de Ctesibio, de quién Herón fue pupilo.
La proposición 11 de Pneumatica describe un altar hueco parcialmente lleno de agua sobre el que hay una figura por cuyo interior hay un tubo que termina sumergido en el agua. Al encender un fuego sobre el altar el aire de su interior se calienta impulsando el agua por el tubo que termina vertiéndose a través de la figura simulando una libación que finalmente sofoca el fuego. En la proposición 37 va un poco más allá y describe un mecanismo animado por el fuego para la apertura y el cierre automáticos de las puertas de un templo. En otras proposiciones describe mecanismos similares e incluso dos motores a reacción uno por aire caliente y otro por vapor de agua para hacer girar las figuras de un altar.
No se sabe a ciencia cierta si aquellas invenciones no pasaron de ser meros juguetes y, aunque se ha supuesto que fueron empleadas para mover objetos en los templos durante los rituales, no deja de sorprender el hecho de que desde los tiempos de Herón no se hayan encontrado evidencias de que el vapor se haya utilizado con un propósito práctico, aunque el conocimiento del poder del vapor no llegara a perderse como demuestra la descripción de Malmesbury del órgano de Reims que en 1120 se hacía sonar por el aire que escapaba de un depósito en el que era comprimido por "agua calentada".
En 1825 el superintendente del Archivo de Simancas descubrió una publicación de 1695 que relataba que en 1543 Blasco de Garay, oficial de la marina española, en el reinado de Carlos I, intentó impulsar un barco con ruedas de palas movidas por una máquina de vapor. Del supuesto motor no se tienen datos pero si fuera cierto el intento hubiera sido la primera vez que una máquina de vapor se utilizara con un propósito práctico.
En 1601, Giovanni Battista della Porta describe un aparato para elevar el agua por medio del fuego similar al descrito por Herón pero empleando vapor de agua para impulsar el líquido y en 1615 Salomón de Caus describe un aparato similar para hacer funcionar una fuente.
El común denominador de todos estos intentos es un tubo sumergido hasta prácticamente el fondo del recipiente de agua por donde ésta asciende al incrementarse la presión en la superficie libre del líquido, trabajos directamente relacionados con los estudios teóricos de Galileo, Torricelli, Pascal y Von Guericke sobre la presión atmosférica que condujeron a mediados del siglo XVII al abandono de la teoría del horror vacui.
La primera máquina fue inventada por Eduard Somerset, segundo marqués de Worcester, en 1663 y por su descripción es muy similar, conceptualmente, a la fuente de Caus, si bien de la máquina de Somerset se construyó un modelo en Vauxhall (cerca de Londres) en el castillo Rawlan en torno a 1665 con el propósito de elevar el agua a los pisos superiores de la construcción. Con las especificaciones técnicas escritas y las huellas dejadas en los muros del castillo Dircks —biógrafo de Somerset— pudo reconstruir la máquina construida en Vauxhall.
Sin embargo, Somerset no pudo atraer los capitales necesarios para producir y vender su máquina y murió en la pobreza. Este es, posiblemente, el hecho de que hace que se haya atribuido a Thomas Savery la invención de la máquina de Somerset, sobre la que obtuvo una patente en 1698. Conociendo, según afirman varios autores, los trabajos de su predecesor y en el que influyó, sin duda, el proselitismo realizado por Savery, quien no dejó pasar ocasión para mostrar su máquina. Entre ambos hay que mencionar a Samuel Morland, Maestro Mecánico en la corte de Carlos II y residente en Vauxhall, que construyó y patentó máquinas diversas, entre ellas versiones mejoradas de la máquina de Somerset, sugiriendo Hutton que, en realidad, Savery pudo tener un mayor conocimiento de los trabajos de Morland que los del propio Somerset.
A pesar de todo, la máquina de Savery se introdujo en las minas inglesas de forma muy limitada por el riesgo de explosión debido a un incremento incontrolado de la presión en la máquina. Desaguliers relata que un trabajador ignorante de la naturaleza de la máquina a la que él había añadido una válvula de seguridad inventada años antes por Denis Papin «...colgó el peso en el extremo de la romana para obtener más vapor y trabajar más deprisa y añadió además un hierro muy pesado con consecuencias fatales, el vapor no fue capaz de levantar semejante contrapeso y acumulándose en el interior de la caldera provocó una gran explosión que acabó con la vida del pobre hombre.» Probablemente sea éste el primer accidente laboral del que se tiene constancia.
A diferencia de los dispositivos anteriores, en los que el vapor actúa sobre la propia superficie libre del agua para impulsarla, Huygens diseña en 1680 un aparato de pistón en los que el fluido es el aire caliente producido en una explosión que al enfriarse y contraerse arrastra el émbolo, elevando un peso. Años más tarde Papin (1690) sustituye el aire por vapor de agua e, incluso, en una modificación posterior (1695) diseña un horno y generador de vapor de gran eficiencia, con el que logra importantes ahorros de combustible y hasta cuatro golpes del pistón por minuto. Sin saberlo, Papin se encontraba muy cerca de desarrollar la máquina de vapor, sin embargo, en 1705 Leibniz le hace llegar un dibujo de la máquina de Savery y, dos años, más tarde diseña un nuevo tipo de máquina para elevar el agua, modificación de la de Savery, en la que abandona el modelo de Huygens, lo que supuso un evidente retroceso.
[editar] Máquina de compresión o vacío
En los albores del siglo XVIII todos los elementos necesarios de la máquina de vapor habían sido inventados y aplicados exitosamente con diferentes propósitos, y la naturaleza de la presión atmosférica y de la presión de los gases era comprendida, así como se conocía el vacío y la forma de obtenerlo mediante la condensación del vapor. Faltaba solamente el ingeniero que combinara los conocimientos prácticos y teóricos disponibles en una máquina que fuera capaz de aprovechar el poder del vapor de forma económica. Este fue Thomas Newcomen, quién, con su ayudante John Calley, inventó una nueva máquina que denominó Máquina de vapor atmosférica (1705).
La máquina constaba de un generador de vapor, cilindro y pistón donde se condensaba el vapor, inicialmente mojando su superficie con agua fría, y posteriormente inyectando en su interior un chorro de agua y consiguiendo así hasta 10 o 12 golpes por minuto. El émbolo movía, a su vez, a través de un mecanismo de palanca, las bombas que se empleaban en la extracción del agua de las minas. Salvo la automatización de las válvulas, introducida por el joven Potter, la máquina de Newcomen no sufrió modificaciones de importancia durante años. Más tarde John Smeaton estudió experimentalmente las proporciones más adecuadas de la máquina de Newcomen, determinando que los cilindros debían ser de mayor longitud que los que se venían empleando y que, por lo general, las calderas eran demasiado pequeñas. En 1774 construyó en Long Benton la primera máquina de este tipo.
A mediados del siglo XVIII la máquina de Newcomen se utilizaba extensivamente en los distritos mineros de Inglaterra y se había exportado a otros países europeos y, aunque el elevado consumo de combustible que exigía su funcionamiento dificultó su aplicación en otras actividades industriales o en el suministro de agua potable, se siguieron construyendo incluso después de la invención de Watt.
[editar] Máquina de expansión
Auspiciado por Joseph Black, ocupado en las investigaciones que le conducirían al descubrimiento del calor latente, James Watt se propuso mejorar la máquina de Newcomen descubriendo en el curso de sus experimentos que el vapor era una reserva de calor mucho más vasta que el agua y comprendiendo que era necesario limitar todas las pérdidas de calor que se producían en la artesanal máquina de Newcomen para disminuir el consumo de combustible, principal handicap de estas máquinas. Analizando el problema identificó las pérdidas debidas al propio cilindro, a la práctica de enfriar el vapor para lograr el vacío necesario para mover la máquina y a la presión residual del vapor. En sus experimentos posteriores, verdaderos trabajos científicos, llegó a la conclusión de que el cilindro debía mantenerse a la misma temperatura que el vapor.
Según sus palabras, mientras daba un paseo un espléndido sábado por la tarde y meditaba sobre la máquina, una idea le vino a la cabeza como el vapor es un cuerpo elástico se precipitará en el vacío, y, si se comunicara el cilindro con un depósito exhausto, se precipitaría en su interior donde podría condensarse sin enfriar el cilindro. Sin embargo, el desarrollo y perfeccionamiento del condensador separado dejó a Watt en la ruina y en 1765 se vio obligado a buscar empleo y abandonar su trabajo hasta que, en 1767, John Roebuck accedió a financiar sus experimentos y la explotación comercial de la máquina a cambio de las dos terceras partes de los beneficios de la patente que se obtuviera. En 1768 Watt construyó un modelo que operaba de manera satisfactoria, aun imperfecta, y se presentó el año siguiente la solicitud de la patente. Tras diferentes avatares económicos, Roebuck se desprendió de su parte del negocio en favor de Matthew Boulton y juntos Boulton & Watt finalmente llevarían a la práctica la invención de Watt y otros perfeccionamientos.
La primera máquina se construyó en Kinneil, cerca de Boroughstoness en 1774. A partir de entonces la historia de la máquina de vapor será la de la firma Boulton & Watt y casi todas las mejoras que se introduzcan en ella serán obra del propio Watt, entre otras, el paralelogramo de Watt, la expansión del vapor, la máquina de doble efecto (en la que el vapor actúa alternativamente sobre ambas caras del pistón), etc.
[editar] La máquina de vapor en España
Uno de los episodios más interesantes de la máquina de vapor en España se dio en 1783 cuando el Conde de Floridablanca encomendó a Tomás Pérez y Estala, cerrajero de profesión, tareas de inspección y asesoramiento técnico, una especie de espionaje industrial muy propio de la época. En 1786 negoció con Wilkinson, en Inglaterra, la adquisición clandestina de las piezas más importantes de tres máquinas de vapor.
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