Maquina de vapor en funcionamento. A frecha da esquerda, en cor vermella, indica a entrada do vapor quentado (na valvula seguinte podese pechar o fluido de vapor para deter a maquina -dependendo da presion-). A frecha da dereita, en cor azul, indica por onde sae o vapor xa pasado o circuito.
Unha
maquina de vapor
e un
motor de combustion exterior
que transforma a
enerxia
dunha certa cantidade de
vapor
de
auga
en traballo mecanico.
En esencia o ciclo de traballo realizase en duas etapas: xerase previamente o vapor de auga nunha caldeira cerrada, por quentamento directo mediante a queima dalgun combustible —carbon ou madeira nos seus inicios, derivados do petroleo e gas natural con posterioridade— o vapor a presion introducese no
cilindro
arrastrando o embolo ou
piston
na sua expansion; empregando un mecanismo de biela-manivela este podese transformar nun movemento de rotacion. Unha vez alcanzado o final de carreira o embolo retorna a sua posicion inicial expulsando o vapor de auga. O ciclo controlase mediante unha serie de valvulas de entrada e saida que regulan a renovacion da carga, e dicir, os fluxos do vapor cara e dende o cilindro.
Tren de vapor
Os motores de vapor empregaronse habitualmente para mover maquinas e aparatos tan diversos como bombas, maquinas locomotoras, motores marinos etc. durante a
Revolucion Industrial
en cuxo desenvolvemento tivo un papel relevante. As modernas maquinas de vapor utilizadas na xeracion de enerxia electrica non son xa de embolo (o desprazamento positivo) como as descritas senon que son
turbomaquinas
, e dicir, atravesadas por un fluxo continuo de vapor . Estas turbomaquinas reciben a denominacion xenerica de
turbinas de vapor
. Na actualidade a maquina de vapor alternativa e un motor moi pouco usado salvo para servizos auxiliares xa que se viu desprazada especialmente polo motor electrico na maquinaria industrial e polo de combustion exterior no transporte.
Moitos foron os autores que tentaron determinar a data da invencion da maquina de vapor atribuindoa a tal ou cal inventor, intento van xa que a historia do seu desenvolvemento esta chea de nomes propios. Dende a recompilacion de Heron ata a sofisticada maquina de Watt son multitude as melloras que en Inglaterra e especialmente no contexto dunha incipiente
Revolucion industrial
nos seculos XVII e XVIII conduciron sen solucion de continuidade dende os rudimentarios primeiros aparatos sen aplicacion practica a invencion do motor universal que chegou a implantarse en todalas industrias e utilizarse no transporte desprazando os tradicionais
motores
como o animal de tiro, o muino o a propia forza do home.
Entre as reliquias da civilizacion exipcia encontramos o primeiro rexistro conecido dunha maquina de vapor no manuscrito de
Heron de Alexandria
titulado
Spiritalia seu Pneumatica.
Os aparatos ali descritos non se sabe con certeza se foron obra do enxeno de Heron porque el mesmo di na sua obra que a sua intencion non e outra que recompilar as maquinas que xa eran conecidas e engadir as inventadas por el. Nada no texto indica quen puido ser o artifice dos dispositivos descritos e sospeitase que moitos poidan ser en realidade obra de
Ctesibio
de quen Heron foi pupilo.
A proposicion 11 de
Pneumatica
describe un altar oco parcialmente cheo de auga sobre o que hai unha figura por cuxo interior hai un tubo que termina mergullado na auga. O acender un lume sobre o altar o aire do seu interior quentase impulsando a auga polo tubo que termina vertendo a traves da figura simulando unha libacion que finalmente sufoca o lume. Na proposicion 37 vai un pouco mais ala e describe un mecanismo animado polo lume para a apertura e o peche
automaticos
das portas dun templo. Noutras proposicions describe mecanismos similares e incluso dos
motores a reaccion
un por aire quente e outro por vapor de auga para facer xirar as figuras dun altar.
Non se sabe con certeza se aquelas invencions non pasaron de ser meros xoguetes e inda que se supuxo que foron empregadas para mover obxectos nos templos durante os rituais non deixa de sorprender o feito de que dende os tempos de Heron non se encontrasen evidencias de que o vapor se utilizase cun proposito practico, inda que o conecemento do poder do vapor non chegase a perderse como demostra a descricion de Malmesbury do organo de Reims que en
1120
se facia soar polo aire que escapaba dun deposito no que era comprimido por
auga quentada
.
En
1601
,
Giovanni Battista dola Porta
describe un aparato para elevar a auga por medio do lume similar o descrito por Heron pero empregando vapor de auga para impulsar o liquido e en
1615
Salomon de Caus
describe un aparato similar para facer funcionar unha fonte.
O comun denominador de todos estes intentos e un tubo mergullado ata practicamente o fondo do recipiente de auga por onde esta ascende o incrementarse a presion na superficie libre do liquido, traballos directamente relacionados cos estudos teoricos de
Galileo
,
Torricelli
,
Pascal
e
Von Guericke
sobre a
presion atmosferica
que conduciron a mediados do seculo XVII o abandono da teoria do
horror vacui
.
A
Thomas Savery
debese a primeira maquina que funcionou con exito
[
1
]
, e que patentou en
1698
, a maquina de Savery introduciuse nas minas inglesas de forma moi limitada polo risco de explosion debido a un incremento incontrolado da presion na maquina.
Desaguliers
relata que un traballador ignorante da natureza da maquina a que el engadira unha valvula de seguridade inventada anos antes por
Denis Papin
≪...colgou o peso no extremo da romana para obter mais vapor e traballar mais a presa e engadiu amais un ferro moi pesado con consecuencias fatais, o vapor non foi capaz de levantar semellante contrapeso e acumulandose no interior da caldeira provocou unha grande explosion que acabou coa vida do pobre home.≫ Probablemente sexa este o primeiro ≪
accidente laboral
≫ do que se ten constancia.
A diferenza dos dispositivos anteriores nos que o vapor actua sobre a propia superficie libre da auga para impulsala
Huygens
desena en 1680 un aparato de piston no cal o fluido e o aire quente producido nunha explosion que o arrefriarse e contraerse arrastra o embolo elevando un peso. Anos mais tarde Papin (1690) substitue o aire por vapor de auga e incluso nunha modificacion posterior (1695) desena un forno e xerador de vapor de grande eficiencia co que logra importantes aforros de combustible e ata catro golpes do piston por minuto. Sen sabelo Papin encontrabase moi cerca de desenvolver a maquina de vapor, asi a todo, Leibniz en 1705 lle fai chegar un debuxo da maquina de Savery e dous anos mais tarde desena un novo tipo de maquina para elevar a auga, modificacion da de Savery, na cal abandona o modo de Huygens o que supuxo un evidente retroceso.
Nos albores do seculo XVIII todolos elementos necesarios da maquina de vapor foran inventados e aplicados exitosamente con diferentes propositos e a natureza da presion atmosferica e da presion dos gases era comprendida, asi como se conecia o baleiro e a forma de obtelo mediante a condensacion do vapor. Faltaba soamente o enxeneiro que combinara os conecementos practicos e teoricos disponibles nunha maquina que fose capaz de aproveitar o poder do vapor de forma economica e este foi
Thomas Newcomen
quen co seu axudante
John Calley
inventou unha nova maquina que denominou
Maquina de vapor atmosferica
(1712).
A maquina constaba dun xerador de vapor, cilindro e piston onde se condensaba o vapor inicialmente mollando a sua superficie con auga fria e posteriormente inxectando no seu interior un chorro de auga e conseguindo asi ata 10 o 12 golpes por minuto. O embolo movia a sua vez a traves dun mecanismo de panca as bombas que se empregaban na extraccion da auga das minas. Salvo a automatizacion das valvulas introducida polo xove
Potter
, a maquina de Newcomen non sufrio modificacions de importancia durante anos. Mais tarde
John Smeaton
estudou experimentalmente as proporcions mais adecuadas da maquina de Newcomen determinando que os cilindros debian ser de maior lonxitude cos que se vinan empregando e que polo xeral as caldeiras eran demasiado pequenas. En 1774 construiu en Long Benton a primeira maquina deste tipo.
A mediados do seculo XVIII a maquina de Newcomen empregabase extensivamente nos distritos mineiros de Inglaterra e exportarase a outros paises europeos, asi a todo o elevado consumo de combustible que esixia o seu funcionamento dificultou a sua aplicacion noutras actividades industriais ou na subministracion de auga potable, a pesar diso, incluso despois da invencion de Watt seguironse construindo.
Auspiciado por
Joseph Black
ocupado nas investigacions que lle conducirian o descubrimento da
calor latente
,
James Watt
propuxose mellorar a maquina de Newcomen descubrindo no curso dos seus experimentos que o vapor era unha reserva de calor moito mais vasta ca auga e comprendendo que era necesario limitar todas as perdas de calor que se producian na artesanal maquina de Newcomen para diminuir o consumo de combustible, principal handicap destas maquinas. Analizando o problema identificou as perdas debidas o propio cilindro, a practica de arrefriar o vapor para lograr o baleiro necesario para mover a maquina e a presion residual do vapor. Nos seus experimentos posteriores, verdadeiros traballos cientificos, chegou a conclusion de que
o cilindro debia manterse a mesma temperatura co vapor
.
Segundo as suas palabras, mentres daba un paseo un esplendido sabado pola tarde e meditaba sobre a maquina, unha idea lle veu a cabeza
como o vapor e un corpo elastico precipitarase no baleiro, e, se se comunicara o cilindro cun deposito exhausto, precipitariase no seu interior onde poderia condensarse sen arrefriar o cilindro
. Asi a todo o desenvolvemento e perfeccionamento do condensador separado deixou a Watt na ruina e en
1765
viuse obrigado a buscar emprego e abandonar o seu traballo ata que en
1767
John Roebuck
accedeu a financiar os seus experimentos e a explotacion comercial da maquina a cambio das duas terceiras partes dos beneficios da patente que se obtivese. En
1768
Watt construiu unha maquina que operaba de maneira satisfactoria, ainda imperfecta, e presentou o ano seguinte a solicitude da patente. Tras diferentes avatares economicos Roebuck desprendeuse da sua parte do negocio en favor de
Matthew Boulton
e xuntos
Boulton & Watt
finalmente levarian a practica a invencion de Watt e outros perfeccionamentos. A primeira maquina construiuse en Kinneil, cerca de Boroughstoness en
1774
. A partir de enton a historia da maquina de vapor sera a da firma Boulton & Watt e case todalas melloras que se introduzan nela seran obra do propio Watt, entre outras, o paralelogramo de Watt, a expansion do vapor, a maquina de dobre efecto (na que o vapor actua alternativamente sobre ambas caras do piston) etc.
Maquina de vapor de Watt do vestibulo da Escola Tecnica Superior de Enxeneiros Industriais de Madrid
Un dos episodios mais interesantes da
maquina de vapor
en
Espana
deuse en
1783
cando o
Conde de Floridablanca
encomendou a
Tomas Perez e Estala
, cerraxeiro de profesion, tarefas de inspeccion e asesoramento tecnico, unha especie de espionaxe industrial moi propio da epoca. En
1786
negociou con
Wilkinson
, en
Inglaterra
, a adquisicion
clandestina
das pezas mais importantes de tres maquinas de vapor.
- ↑
Lira, Carl T. (21 May 2013). "
The Savery Pump
". Introductory Chemical Engineering Thermodynamics. Michigan State University.