Máquina
de Combustión Externa.
Máquina de Vapor.
Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma
la energía térmica de una cantidad de agua en energía
mecánica. En esencia, el ciclo de trabajo se
realiza en dos etapas:
- 1 Se genera vapor de
agua en una caldera cerrada por calentamiento, lo
cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón.
Mediante un mecanismo de biela - manivela,
el movimiento
lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona,
por ejemplo, las ruedas de una locomotora
o el rotor de un generador eléctrico. Una vez
alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa
el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante de inercia.
- 2 El vapor a presión 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 turbo
máquinas; es decir, son 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.
Historia
Máquina de Vapor.
La Máquina de Vapor y James Watt.
Se cree que la primera
máquina de vapor como tal, fue desarrollada en 1633. Esta creación pertenece a
Eduard Somerset. La idea para desarrollarla, era el llevar agua desde el primer
piso, hasta el segundo en un castillo en Londres. Pero su invento pasó al
olvido, ya que de manera posterior, no pudo continuar con su desarrollo debido
a la falta de fondos.
Para 1705, se
desarrolló la llamada por su inventor, máquina de vapor atmosférica. Esta fue
desarrollada por el ingeniero Thomas Newcomen. La gracia de su máquina,
era aprovechar de manera económica, el vapor desarrollado por la combustión de
fósiles naturales. Podemos ver su funcionamiento en la imagen animada de abajo.
Pero quien inventó la
máquina de vapor que realmente revolucionó al mundo, fue el mecánico escocés
James Watt. Quien mejoró notablemente, la máquina creada por Newcomen; en este
diseño anterior, el agua se enfriaba en el mismo cilindro, por lo que su forma,
no era del todo lo que se esperaba. El fue el que se considera el inventor de
la primera máquina de vapor aunque realmente fue una máquina basada en la de
Newcomen
Es así, como la máquina
de vapor de Watt, hace que el vapor se condense en un recipiente especial, el
condensador. Este condensador era conectado a un tubo externo con forma
cilíndrica, al cual se le tapaba ambos extremos. Usando este mecanismo, la
máquina de Watt, lograba que el cilindro siempre se mantuviera caliente, con lo
cual, el ahorro de la energía proporcionada por la leña o el carbón, era muy superior
a lo logrado por la máquina de Newcomen. Con ello, se evitaba la pérdida de
calor, lo cual hacía que la performance de la máquina de Newcomen, no fuera la
deseada. Más bien, la presentaba como una máquina rudimentaria y artesanal.
La primera máquina de
vapor que inventó Watt, vio la luz en 1774. Gracias a la ayuda económica de
Matthew Boulton. Ambos crearon una firma, para explotar la patente de la
máquina de vapor recién creada. Como hemos podido apreciar, podemos señalar a
James Watt como quien inventó la máquina de vapor que todos conocemos, sin
desconocer todos los diseños y esfuerzos del pasado.
James Watt Nacido en
Greenock, Escocia el 19 de enero de 1736, su padre era armador de origen
escocés y le enseñó en la fabricación y uso de las herramientas y útiles
náuticos. Desde joven se interesa por las Matemáticas y los aparatos de
medición, conocimientos que incrementa tras viajara a Londres y contactar con
Morgan de Cornhill. Tras volver a su lugar de origen, participa en varios
trabajos para el Colegio de Glasgow, lo que le vale ser nombrado maestro
dedicado a la fabricación de instrumentos matemáticos en su Universidad.
Watt estudió los usos y
aprovechamientos que pudieran ser derivados del vapor, hasta ese momento poco
aprovechados.
Así, inventó un
prototipo que lograba reducir en gran medida el aporte de combustible,
aplicando la presión del vapor para mover el pistón de un cilindro.
El éxito conseguido hace
que su modelo se expanda rápidamente por Londres, Manchester y Birmingham,
ciudades en las que empiezan a experimentarse los inicios de la revolución
industrial, y en las regiones donde el carbón, la energía más utilizada del
momento, resulta más caro.
En 1781 desarrolló su
segunda versión de la máquina de vapor, de doble efecto; agregándose la
corredera de apertura y cierre de válvulas en 1782, y la mejora del mecanismo biela-manivela
para convertir movimiento rectilíneo alternativo en rotatorio en 1783, con lo
que la máquina adquirió niveles de practicidad y confiabilidad que la hicieron
servir de base motriz para máquinas textiles (Richard Arkwright) y otros
dispositivos mas avanzados. La de Newcomen no había tenido difusión por tener
muy bajo rendimiento.
El especial significado
que tiene este desarrollo, es que nunca el hombre había contado con una máquina
que le suministrara energía en forma confiable, sin recurrir a su propia fuerza
ni a la de los animales. Hacia 1800 la máquina estacionaría a vapor ya era un
producto comercial, y la firma Watt & Boulton tenía, por patentes y por su habilidad
comercial, casi el monopolio en toda Europa.
El precio era fijado
según la cantidad de caballos que podía reemplazar, de donde salió luego el
término horsepower. El constante perfeccionamiento de estos motores, dio
lugar a que en 1807 Robert Fulton y en 1814 George Stephenson presentaran los
primeros barcos y locomotoras, iniciando la era de las máquinas a vapor móviles
en barcos y ferrocarriles, dando lugar a los mayores emprendimientos
comerciales del siglo XIX.
En 1882 se designa con
el nombre de Watt a la unidad de potencia, equivalente a un Joule/seg o a una
corriente de un Ampere pasando por una resistencia de un Ohm. El kwatt
= 1000 watt, también equivale a 102 kgm/seg = 1,36 CV = 1,34 HP
