Máquina de vapor
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Máquina de vapor. Se define como un motor de combustión externa, capaz de transformar energía de una cierta cantidad de vapor de agua, realizando un trabajo cinético o mecánico.
Sumario
Ciclo de funcionamiento
El ciclo de trabajo de una máquina de vapor se divide en dos partes; en principio, se genera vapor de agua por calentamiento directo, en una caldera que se encuentra cerrada, esto quema un combustible, habitualmente carbón o madera. El segundo paso del proceso consiste en introducir el vapor a presión dentro del cilindro, arrastrando el pistón o émbolo en toda su expansión. Esto lo lleva a cabo utilizando un volante de inercia y un mecanismo de biela; éste puede transformarse en un elemento de rotación. Una vez que el émbolo alcanzó el final de su carrera, retorna a su posición de inicio, expulsando de esta forma el vapor de agua. El ciclo que la máquina de vapor realiza es controlado mediante una serie de válvulas de salida y entrada; que a su vez tienen la función de regular la renovación de carga, nos referimos con esto, a los flujos de vapor desde y hacia el cilindro.
Historia
La máquina de vapor, o previamente conocida como motor de vapor, se empleó de forma activa durante el desarrollo de la Revolución Industrial; aquí tuvo un papel fundamental ya que se utilizaba para mover diversas máquinas tales como locomotoras, bombas, motores marinos, etc. La primera máquina de vapor fue inventada por Eduard Somerst en 1663, a partir del modelo de Somerset se llevó a cabo la construcción de un modelo denominado Vauxhall en 1665 en Londres, este proyecto tenía como propósito elevar el agua de los pisos superiores de la construcción. La máquina de vapor moderna que se empleaban en la generación de energía eléctrica no es ya de desplazamiento positivo o émbolo como las descriptas en el párrafo anterior; éstas son turbo-máquinas, decimos con esto que están atravesadas por un continuo flujo de vapor. Las mismas reciben el nombre de turbinas de vapor. Actualmente, la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco empleado para servicios auxiliares, ya que se ha vista desplazada por lo que conocemos, en la máquina industrial, como el motor eléctrico y por el motor de combustión interna en el transporte. Son muchos los investigadores y autores que han tratado de determinar la fecha de la invención de la máquina de vapor, tratando de encontrar su inventor, intento en vano debido a que la historia de su invención y desarrollo se encuentra plagada de cientos de nombres. La historia de la máquina de vapor se relaciona con Herón, y sigue su curso pasando por la sofisticada máquina de Watt, siendo víctima de las mejoras en Inglaterra en la Revolución Industrial, hasta hoy, en donde la podemos utilizar en el transporte, entre muchas otras cosas.
Invención
El primer registro de una máquina de vapor nos lleva hasta Egipto, Heron de Alejandría poseía un manuscrito en donde la mencionaba, pero la máquina de vapor no era la única, los artefactos que se describían allí no se saben con certeza si fueron confeccionados por el mismo Herón; en realidad nada en el texto señala quien pudo ser el artífice de los dispositivos que allí se describían. De todas maneras Somerset no pudo recaudar los capitales suficientes para vender o producir su máquina lo que lo llevó a morir en la pobreza. Por esto, probablemente, el hecho de que su invención fue atribuido a Thomas Savery, sobre esta máquina a vapor obtuvo una patente en 1668. La máquina de Savery se introdujo en las minas inglesas de forma muy limitada, esto se debió a las grandes riesgos de explosión que existían por un incontrolado incremento de la presión en la máquina. Un relato anónimo afirma que si las máquinas de vapor no se utilizaban correctamente podrían causar hasta la muerte; este relato hacía referencia a un trabajador que por añadir una válvula de seguridad confeccionada dos años antes para trabajar más deprisa y obtener más vapor, provocó una explosión debido a que el vapor no puedo levantar el contrapeso ejercido y se acumuló en el interior de la caldera. Este incidente acabó con la vida de este pobre hombre. Lo mismo puede ocurrir hoy en día si no se utiliza la máquina de vapor con responsabilidad y de forma adecuada; las grandes instalaciones son complejas y por ende necesitamos que nos guíen, al menos, cuando las utilizamos por primera vez.
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 motor era un reservorio 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 inconveniente 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. Según sus palabras, mientras daba un paseo un espléndido viernes 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. 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, aún 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
Importancia histórica
La máquina de vapor marcó un antes y un después en el mundo, y resumió el espíritu de una época de grandes cambios a nivel tecnológico e industrial. Hasta entonces, el desplazamiento y el transporte de carga se había hecho a través de la tracción a sangre, esto es, de animales que tiraban de un vehículo con ruedas. La invención de la máquina a vapor demostró que podían crearse vehículos con mayor capacidad de trabajo que los tirados por animales: recorrían mayores distancias, más rápidamente y sin necesidad de descanso. El primero de estos vehículos fue la locomotora, capaz de tirar de un tren entero sobre rieles especiales. Se trató de un adelanto tecnológico extraordinario: comunicó regiones geográficas distantes en un tiempo sumamente corto para la época, permitió el desplazamiento de grandes cantidades de pasajeros y/o de cargamento, y así marcó el inicio de la era del transporte. Este mismo principio pronto se aplicó a los barcos, lo que dio nacimiento a los barcos a vapor, e incluso a los primeros modelos de automóvil.
Revolución industrial
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 y motores marinos, entre otros.
Aplicación
Desde comienzos del siglo XVIII, las máquinas de vapor se han usado para dar potencia a una multitud de usos. Al principio se usaban como bombas de pistón y desde que empezaron a aparecer los motores alternativos en 1780, también sirvieron para dar potencia a las fábricas. A primeros del siglo XIX, el transporte de vapor por tierra y por mar, empezó a aplicarse con cada vez más presencia a los medios de transporte. Lo motores de vapor fueron la fuerza motriz de la Revolución industrial, siendo útiles para mover maquinaria en fábricas, molinos, estaciones de bombeo y aplicaciones de transporte, como por ejemplo locomotoras, barcos y vehículos terrestres. Su uso en agricultura resultó en un aumento de la tierra disponible para ser cultivada. También suelen usarse máquinas de muy baja potencia para dar potencia a prototipos o modelos, incluso existen algunas aplicaciones anecdóticas como el reloj de vapor. La presencia de diferentes fases entre la fuente de calor y la transmisión de potencia mecánica ha hecho que, en general, fuera muy difícil obtener una relación potencia-peso similar a la que se obtiene con el uso de motores de combustión interna, por ejemplo, son raros los casos de aplicaciones en el ámbito de la aeronáutica de este tipo de máquinas. Consideraciones similares han hecho que para dar potencia a aplicaciones de media y baja potencia, las máquinas de vapor han sido sustituidas progresivamente por motores de combustión interna y motores eléctricos, la obsolescencia de las máquinas de vapor en estos campos ha hecho disminuir progresivamente la imagen tecnológica de la tecnología del vapor.
