Màquina de vapor de Watt
La màquina de vapor de Watt, també coneguda com la màquina de vapor de Boulton i Watt, va ser la primera màquina de vapor pràctica, convertint-se en una de les forces impulsores de la Revolució Industrial. James Watt va desenrollar el disseny esporàdicament entre 1763 i 1775, en el respal de Matthew Boulton. El seu disseny va permetre aforrar molt combustible en comparació a les màquines anteriors, de manera que concedien llicències basant-se en la cantitat de combustible que es podia economizar. Watt mai va deixar de desenrollar la màquina de vapor, introduint dissenys de doble efecte (en dos cilindres) i varis sistemes per a conseguir produir el moviment rotatiu a partir de les seues màquines. El disseny de Watt es va convertir en sinònim de màquina de vapor, i varen passar molts anys ans que atres dissenys significativament nous començaren a reemplaçar la configuració que va idear.
Les primeres màquines de vapor, introduïdes per Thomas Newcomen en 1712, eren de disseny "atmosfèric". S'introduïa vapor en un cilindre, que després es gelava en una chorrada d'aigua. Açò feya que el vapor es condensara, formant un buit parcial en el cilindre, i la pressió atmosfèrica en la part superior espentava el pistón cap a avall. Watt va notar que el rocío d'aigua també gelava el propi cilindre, i es requeria una cantitat significativa de calor per a calfar-ho fins al punt en que el vapor podia entrar al cilindre sense condensarse immediatament de nou. Va abordar este problema agregant un cilindre separat ple d'aigua, que s'obria una volta que s'omplia el cilindre principal. El vapor entrava en la cambra secundària i es condensaba, extraent el vapor restant del cilindre principal per a continuar el procés. El resultat final utilisava el mateix cicle que el disseny de Newcomen, pero sense cap refredat del cilindre principal, que estava immediatament llest per a una atra carrera. Watt va treballar en el disseny durant un periodo de varis anys, introduint el condensador i millores en pràcticament totes les parts del disseny, en particular una llarga série de proves sobre les formes de sagellar el pistón en el cilindre. Tots estos canvis varen produir un disseny més fiable, i que necessitava la mitat de carbó per a produir la mateixa cantitat d'energia.[1]
El nou disseny es va introduir comercialment en 1776, en el primer eixemplar venut al taller mecànic Carron Company. Watt va continuar treballant per a millorar el motor, i en 1781 va introduir un sistema que usava un engranage sol i planeta per a convertir el moviment llineal dels motors en moviment rotatiu. Açò ho va fer útil no solament en el seu comés de bombeig original, sino també com una tongada directa en aquelles tasques en les que prèviament es varen utilisar rodes hidràuliques. Est va ser un moment clau en la revolució industrial, ya que des de llavors les fonts d'energia podrien ubicar-se en qualsevol lloc, evitant l'anterior necessitat de dispondre d'una font d'aigua i d'una topografia adequades. Boulton va començar a desenrollar numeroses màquines que varen fer us d'esta potència rotativa, desenrollant la primera fàbrica industrialisada moderna, la Fundició Soho, que a la seua volta va produir nous dissenys de màquines de vapor. Els primers motors de Watt coincidien en els dissenys originals de Newcomen en que usaven vapor a baixa pressió, i la major part de l'acció era causada per la pressió atmosfèrica, degut principalment als problemes de seguritat que suponia l'ocupació de pressions de vapor més elevades.[2] No obstant, buscant millorar el seu rendiment, Watt va començar a considerar l'us de vapor a alta pressió, aixina com els dissenys en cilindres múltiples, tant segons el concepte de doble acció com segons el concepte d'expansió múltiple. Estos motors de doble acció varen requerir l'invenció del moviment paralel, que va permetre que les varetes dels cilindres individuals es mogueren en llínea recta, mantenint el pistón alineat en el cilindre, mentres que l'extrem del balancín mòvil es desplaçava descrivint un arc, alguna cosa anàlec a una creuera en les màquines de vapor posteriors.
Introducció
[editar | editar còdic]En 1698, el dissenyador mecànic anglés Thomas Savery va inventar un aparat de bombeig que utilisava vapor per a extraure aigua directament d'un pou, valent-se del buit creat per la condensació de vapor d'aigua. El dispositiu es va propondre per a drenar mines, pero solament podia extraure aigua a aproximadament un màxim de 7,5 m de profunditat, lo que significava que tenia que ubicar-se sense superar este desnivell sobre el sol de la mina que s'estava drenando. A mida que les mines es varen fer més profundes, esta màquina a sovint no era pràctica. I ademés, consumia una gran cantitat de combustible en comparació als motors posteriors.[3]
La solució per a drenar mines profundes va ser trobada per Thomas Newcomen, qui va desenrollar un motor "atmosfèric" que també funcionava baix el principi del buit. Amprava un cilindre que contenia un pistón mòvil conectat per una cadena a un extrem d'un balancín oscilante, que accionaba una bomba d'elevació mecànica des del seu extrem opost. Al final de cada carrera, es permetia que el vapor ingressara al cilindre baix del pistón. Quan el pistón s'elevava dins del cilindre, arrastrat cap a dalt per un contrapeso, absorbia vapor a pressió atmosfèrica. En la part superior de la carrera, la vàlvula de vapor es tancava i s'injectava aigua freda breument en el cilindre per a gelar el vapor. Esta aigua condensaba el vapor i creava un buit parcial baix del pistón. La pressió atmosfèrica fora del motor era llavors major que la pressió dins del cilindre, espentant aixina el pistón cap al cilindre. El pistón, unit a una cadena i a la seua volta unit a un extrem de la "voltó oscilante", espentava cap a avall el seu extrem del voltó, alçant l'extrem opost. Per lo tant, era impulsada la bomba situada en lo profunt de la mina, que estava unida a l'extrem opost del voltó a través de cordes i cadenes. La bomba espentava (en lloc d'absorbir) la columna d'aigua cap a dalt, i per lo tant, podria elevar l'aigua a pràcticament qualsevol altura. Una volta que el pistón aplegava a la part inferior, el cicle es repetia.[3]
El motor Newcomen era més potent que el motor Savery. Per primera volta, l'aigua podria elevar-se des d'una profunditat de més de 45 metros. El primer eixemplar de 1712 va ser capaç de reemplaçar a un equip de 500 cavalls de tir que s'havien utilisat per a bombejar la mina. Es varen instalar setenta y cinco motors de bombeig Newcomen en distintes mines de Gran Bretanya, França, Holanda, Suècia i Rússia. En els següents cinquanta anys, solament es varen fer alguns menuts canvis en el disseny del motor. Va ser un gran alvanç.
Si ben els motors Newcomen varen dur beneficis pràctics, varen ser ineficientes en térmens de l'us de l'energia necessària per a impulsar-los. El sistema d'enviar alternativament chorrada de vapor, i despuix aigua freda sobre el cilindre, significava que les parets del cilindre es calfaven alternativament i després es gelaven en cada carrera. Cada càrrega de vapor introduïda continuaria condensándose fins que el cilindre s'acostara novament a la temperatura de treball. Llavors, en cada cicle, es perdia part del potencial del vapor.
Condensador separat
[editar | editar còdic]
En 1763, James Watt treballava com a fabricant d'instruments en l'Universitat de Glasgow, quan se li va assignar el treball de reparar un model de motor Newcomen i es va donar conte de lo ineficiente que era.[4]
En 1765, Watt va concebre l'idea d'equipar el motor en una cambra de condensació separada, a la que va cridar un "condensador". Degut a que el condensador i el cilindre de treball estaven separats, la condensació es produïa sense una pèrdua significativa de la calor del cilindre. El condensador permaneixia fret i per baix de la pressió atmosfèrica en tot moment, mentres que el cilindre permaneixia calent en tot moment.
El vapor de la caldera entrabar al cilindre per baix del pistón. Quan el pistón alcançava la part superior del cilindre, la vàlvula d'entrada de vapor es tancava i la vàlvula que controlava el pas al condensador s'obria. En estar el condensador a una pressió més baixa, extrea el vapor del cilindre al condensador, a on es gelava i es condensaba, passant de vapor d'aigua a aigua líquida, i mantenint un buit parcial en el condensador que es comunicava a l'espai del cilindre per baix del pistón a través del conducte de conexió. La pressió atmosfèrica externa espentava el pistón cap a avall del cilindre.
La separació del cilindre i el condensador va eliminar la pèrdua de calor que es produïa quan el vapor es condensaba en el cilindre d'un motor Newcomen treballant. Açò li va donar al motor Watt una major eficiència que la del motor Newcomen, reduint la cantitat de carbó consumit mentres realisava la mateixa cantitat de treball que l'antic motor.
En el disseny de Watt, l'aigua freda s'injectava solament en la cambra de condensació. Este tipo de condensador es coneix com condensador de chorrada. El condensador està ubicat en un bany d'aigua freda baix del cilindre. El volum d'aigua que entrava al condensador com rocío absorbia la calor latent del vapor, i es va determinar com sèt voltes el volum del vapor condensado. El condensado i l'aigua injectada eren eliminats per la bomba d'aire, i l'aigua freda circumdant va servir per a absorbir l'energia tèrmica restant per a retindre una temperatura del condensador d'entre 30 i 45 °C i la pressió equivalent de 0,04 a 0,1 bar.[5]
En cada carrera, el condensado calent s'extrea del condensador i s'enviava a un pou calent per una bomba de buit, que també ajudava a evacuar el vapor de baix del cilindre de potència. El condensado encara calent es reciclava com a aigua d'alimentació per a la caldera.
La següent millora de Watt al disseny de Newcomen va ser sagellar la part superior del cilindre i rodejar el cilindre en una camisa. Es passava el vapor a través de la camisa abans de ser admés baix del pistón, mantenint el pistón i el cilindre calents per a evitar la condensació dins d'ell. La segona millora va ser l'utilisació de l'expansió de vapor contra el buit en l'atre costat del pistón. El suministrament de vapor es tallava durant la carrera, i el vapor s'expandia contra el buit en l'atre costat. Açò va aumentar l'eficiència del motor, pero també va crear un parell variable en l'eix que no era desijable per a moltes aplicacions, en particular el bombeig. Per lo tant, Watt va llimitar l'expansió a una relació d'1:2 (és dir, el suministrament de vapor es tallava a mija carrera). Açò va aumentar l'eficiència teòrica del 6.4% al 10.6%, en solament una chicoteta variació en la pressió del pistón.[5] Watt no va usar vapor a alta pressió per problemes de seguritat.[2] <span title="Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «DecodeEncode».">: Plantilla:R/where
Estes millores varen dur a la versió completament desenrollada de 1776, que va ser la que realment va entrar en producció.[6]
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ (1989).Consultat el 26 d'agost de 2019.
- ↑ 2,0 2,1 Dickinson, Henry Winram (1939). A Short History of the Steam Engine, Cambridge University Press, p. 87. ISBN 978-1-108-01228-7.
- ↑ 3,0 3,1 Rosen, 2012
- ↑ «Model Newcomen Engine, repaired by James Watt». University of Glasgow Hunterian Museum & Art Gallery. Archivat des d'el original, el 14 de juliol de 2014. Consultat el 1 de juliol de 2014.
- ↑ 5,0 5,1 Farey, John (1 de giner de 1827). A treatise on the steam engine : historical, practical, and descriptive, London : Printed for Longman, Rees, Orme, Brown and Green, pp. 339 ff.
- ↑ Hulse David K (1999): "The early development of the steam engine"; TEE Publishing, Leamington Spa, U.K., ISBN, 85761 107 1 p. 127 et seq.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Máquina de vapor de Watt» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.