Motor atmosférico Newcomen

La máquina atmosférica fue inventada por Thomas Newcomen en 1712, y a veces se la conoce como máquina de bomberos de Newcomen (véase más abajo) o máquina de Newcomen . La máquina funcionaba mediante la condensación del vapor que se aspiraba al cilindro, creando así un vacío parcial que permitía que la presión atmosférica empujara el pistón hacia el cilindro. Es significativa por ser el primer dispositivo práctico que aprovechó el vapor para producir trabajo mecánico . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Las máquinas de Newcomen se utilizaron en toda Gran Bretaña y Europa, principalmente para bombear agua de las minas . Se construyeron cientos durante el siglo XVIII. El diseño posterior de la máquina de James Watt fue una versión mejorada de la máquina de Newcomen que prácticamente duplicó la eficiencia del combustible . Muchas máquinas atmosféricas se convirtieron al diseño de Watt. Como resultado, Watt es hoy más conocido que Newcomen en relación con el origen de la máquina de vapor .

Antes de Newcomen, se habían fabricado varios dispositivos de vapor pequeños de diversos tipos, pero la mayoría eran esencialmente novedades. ^{[ 3 ]} Alrededor de 1600, varios experimentadores utilizaron vapor para alimentar pequeñas fuentes que funcionaban como una cafetera de filtro . Primero, se llenaba un recipiente con agua a través de una tubería que se extendía desde la parte superior del recipiente hasta casi el fondo. La parte inferior de la tubería quedaba sumergida en el agua, haciendo que el recipiente fuera hermético. Luego, se calentaba el recipiente hasta que el agua hirviera. El vapor generado presurizaba el recipiente, pero la tubería interior, sumergida en el fondo por el líquido y sin un sello hermético en la parte superior, permanecía a una presión menor; el vapor en expansión forzaba el agua del fondo del recipiente hacia arriba por la tubería para que saliera a chorros por una boquilla en la parte superior. Estos dispositivos tenían una eficacia limitada, pero ilustraban la viabilidad del principio.

En 1606, el español Jerónimo de Ayanz y Beaumont demostró y obtuvo una patente para una bomba de agua accionada por vapor. La bomba se utilizó con éxito para drenar las minas inundadas de Guadalcanal, España . ^{[ 4 ]}

En 1662, Edward Somerset, segundo marqués de Worcester , publicó un libro que contenía varias ideas en las que había estado trabajando. ^{[ 5 ]} Una de ellas era una bomba de vapor para suministrar agua a las fuentes; el dispositivo utilizaba alternativamente un vacío parcial y la presión del vapor. Dos recipientes se llenaban alternativamente con vapor y luego se rociaban con agua fría para condensar el vapor en su interior; esto producía un vacío parcial que aspiraba el agua a través de una tubería desde un pozo hasta el recipiente. Una nueva carga de vapor a presión impulsaba entonces el agua desde el recipiente por otra tubería hasta un colector de nivel superior antes de que ese vapor se condensara y el ciclo se repitiera. Al hacer funcionar los dos recipientes alternativamente, se podía aumentar el caudal de suministro al tanque colector.

Newcomen retomó el experimento de Papin y lo hizo viable, aunque existe poca información sobre cómo se produjo exactamente. (Nota: En * La invención de la ciencia: una nueva historia de la revolución científica* , de David Wootton , el autor propone que la fuente real utilizada por Newcomen fue el folleto de Papin "Un nuevo digestor o máquina para ablandar huesos"). El principal problema para el que Papin no había dado solución era cómo hacer que la acción fuera repetible a intervalos regulares. La solución fue proporcionar, como lo había hecho Savery, una caldera capaz de asegurar la continuidad del suministro de vapor al cilindro, proporcionando la carrera de vacío mediante la condensación del vapor y eliminando el agua una vez condensada. El pistón de potencia estaba suspendido por cadenas del extremo de una viga oscilante. A diferencia del dispositivo de Savery, el bombeo era completamente mecánico; el trabajo de la máquina de vapor consistía en levantar una varilla pesada suspendida del extremo opuesto de la viga oscilante. La varilla descendía por el pozo de la mina por gravedad e impulsaba una bomba de presión, o bomba de pértiga (o, más a menudo, un grupo de dos) dentro del pozo. La carrera de succión de la bomba era solo la longitud de la carrera ascendente (de cebado), por lo que ya no existía la restricción de 9 metros de una bomba de vacío y se podía forzar el agua a través de una columna desde profundidades mucho mayores. La caldera suministraba el vapor a una presión extremadamente baja y, en un principio, se ubicaba justo debajo del cilindro de potencia, pero también podía colocarse detrás de una pared divisoria con una tubería de vapor de conexión. Para que todo esto funcionara, se requería la habilidad de un ingeniero práctico; el oficio de Newcomen como ferretero o comerciante de metales le habría proporcionado un conocimiento práctico significativo sobre qué materiales serían adecuados para una máquina de este tipo y lo habría puesto en contacto con personas con conocimientos aún más detallados.

Los primeros ejemplos de los que existen registros fiables fueron dos máquinas en Black Country , de las cuales la más famosa fue la erigida en 1712 en la mina de carbón de Conygree en Bloomfield Road Tipton, ahora el sitio de "The Angle Ring Company Limited", Tipton . ^{[ 11 ]} Esta es generalmente aceptada como la primera máquina de Newcomen exitosa y seguida por una construida a una milla y media al este de Wolverhampton . Ambas fueron utilizadas por Newcomen y su socio John Calley para bombear agua de minas de carbón. Una réplica en funcionamiento puede verse hoy en el cercano Black Country Living Museum , que se encuentra en otra parte de lo que fue el parque Conygree de Lord Dudley . Otra máquina de Newcomen estaba en Cornualles . Su ubicación es incierta, pero se sabe que una estaba en funcionamiento en la mina Wheal Vor en 1715. ^{[ 12 ]} Pronto comenzaron a llegar pedidos de minas inundadas de toda Inglaterra, y algunos han sugerido que la noticia de su logro se difundió a través de sus conexiones bautistas . Dado que la patente de Savery aún no había expirado, Newcomen se vio obligado a llegar a un acuerdo con Savery y operar bajo la patente de este último, ya que su vigencia era mucho mayor que la que Newcomen podría haber obtenido fácilmente. Durante los últimos años de su vigencia, la patente perteneció a una empresa no constituida como sociedad, Los Propietarios de la Invención para elevar agua mediante fuego .

Aunque su primer uso fue en zonas mineras de carbón, la máquina de Newcomen también se empleó para bombear agua de las minas de metal de su región natal, el suroeste de Inglaterra, como las minas de estaño de Cornualles. Para cuando falleció, Newcomen y otros habían instalado más de cien de sus máquinas, no solo en el suroeste de Inglaterra y las Midlands, sino también en el norte de Gales, cerca de Newcastle y en Cumbria. Se construyeron algunas en otros países europeos, como Francia, Bélgica, España y Hungría, así como en Dannemora, Suecia . En 2010 se hallaron evidencias del uso de una máquina de vapor de Newcomen asociada a las primeras minas de carbón en Midlothian, Virginia (donde se ubicaron algunas de las primeras minas de carbón de Estados Unidos). (Estudio de Dutton and Associates, 24 de noviembre de 2009).

Hacia el final de su trayectoria, el motor atmosférico fue mejorado notablemente en sus detalles mecánicos y proporciones por John Smeaton , quien construyó muchos motores grandes de este tipo durante la década de 1770. ^{[ 16 ]} La necesidad urgente de un motor que produjera movimiento rotatorio se hacía cada vez más evidente, y esto fue logrado con éxito limitado por Wasborough y Pickard, quienes utilizaron un motor Newcomen para accionar un volante mediante una manivela . Si bien el principio de la manivela se conocía desde hacía tiempo, Pickard logró obtener una patente de 12 años en 1780 para la aplicación específica de la manivela a las máquinas de vapor; esto representó un revés para Boulton y Watt, quienes eludieron la patente al aplicar el movimiento solar y planetario a su avanzado motor rotatorio de doble efecto de 1782.

Hacia 1725, la máquina de Newcomen era de uso común en la minería, particularmente en las minas de carbón . Mantuvo su lugar con pocos cambios sustanciales durante el resto del siglo. El uso de la máquina de Newcomen se extendió en algunos lugares para bombear el suministro de agua municipal; por ejemplo, la primera máquina de Newcomen en Francia se construyó en Passy en 1726 para bombear agua del Sena a la ciudad de París. ^{[ 19 ]} También se utilizaba para accionar maquinaria indirectamente, devolviendo el agua desde debajo de una rueda hidráulica a un depósito situado encima de ella, de modo que la misma agua pudiera volver a hacer girar la rueda. Entre los primeros ejemplos de esto se encontraba en Coalbrookdale . En 1735 se había instalado una bomba accionada por caballos para devolver el agua al estanque situado sobre el antiguo alto horno. Esta fue reemplazada por una máquina de Newcomen en 1742-1743. ^{[ 20 ]} Varios hornos nuevos construidos en Shropshire en la década de 1750 funcionaban de manera similar, incluidos los hornos de Horsehay y Ketley y los hornos de Madeley Wood o Bedlam . ^{[ 21 ]} Este último no parece haber tenido una piscina sobre el horno, sino simplemente un tanque al que se bombeaba el agua. En otras industrias, el bombeo con motor era menos común, pero Richard Arkwright utilizó un motor para proporcionar energía adicional a su fábrica de algodón . ^{[ 22 ]}

Se intentó accionar maquinaria con motores Newcomen, pero estos no eran adecuados para este trabajo, ya que el retraso entre las carreras de potencia producía un movimiento muy brusco. ^{[ 23 ]} Se intentó suavizar el movimiento fabricando motores Newcomen con dos cilindros que actuaban alternativamente sobre la manivela; las dos principales empresas que los ofrecían eran Francis Thompson de Ashover, Derbyshire (quien patentó la idea en 1793), y Batemen y Sherratt de Manchester. ^{[ 7 ]}

El principal problema del diseño de Newcomen radicaba en su ineficiencia energética, lo que lo hacía costoso de operar. Una vez que el vapor de agua en su interior se enfriaba lo suficiente como para crear el vacío, las paredes del cilindro se enfriaban lo suficiente como para condensar parte del vapor al ser admitido durante la siguiente carrera de admisión. Esto implicaba un consumo considerable de combustible solo para calentar el cilindro hasta el punto en que el vapor comenzara a llenarlo nuevamente. Dado que las pérdidas de calor estaban relacionadas con las superficies, mientras que el trabajo útil se relacionaba con el volumen, el aumento del tamaño del motor incrementaba la eficiencia, y los motores de Newcomen se hicieron cada vez más grandes con el tiempo. Sin embargo, la eficiencia no era tan importante en el contexto de una mina de carbón, donde el carbón era abundante.

El motor de Newcomen solo fue reemplazado cuando James Watt lo mejoró en 1769 para evitar este problema ( la Universidad de Glasgow le había pedido a Watt que reparara un modelo del motor de Newcomen , un modelo pequeño que exageraba el problema). En el motor de vapor de Watt , la condensación tenía lugar en una unidad condensadora externa, conectada al cilindro de vapor mediante una tubería. Al abrirse una válvula en la tubería, el vacío en el condensador evacuaba la parte del cilindro debajo del pistón. Esto eliminaba la necesidad de enfriar las paredes principales del cilindro y reducía drásticamente el consumo de combustible. También permitió el desarrollo de un cilindro de doble efecto , con carreras de potencia tanto ascendentes como descendentes, lo que aumentaba la potencia del motor sin un gran aumento en su tamaño. ^{[ 24 ]}

El prototipo de motor de Watt en 1769 reveló que necesitaba un cambio radical en la precisión de los cilindros. En el motor de Newcomen, el sellado podía efectuarse con grandes cantidades de agua, pero el cilindro de Watt tenía que funcionar sin inundación de agua, ya que la idea era mantener el cilindro a la temperatura del vapor. Watt no pudo fabricar sus motores hasta 1774, cuando John Wilkinson ideó un método preciso para perforar cilindros y, como resultado, obtuvo un contrato exclusivo para producirlos. En 1776, Watt escribió a Smeaton que "el Sr. Wilkinson ha mejorado el arte de perforar cilindros; de modo que prometo que un cilindro de 72 pulgadas no estará más alejado de la verdad absoluta que el grosor de una delgada moneda de seis peniques en la peor parte". ^{[ 7 ] : 320} La producción de Boulton y Watt comenzó al año siguiente, pero los nuevos motores no eliminaron los motores de Newcomen. La enérgica defensa de Watt de sus patentes resultó en el uso continuado del motor de Newcomen en un esfuerzo por evitar el pago de regalías . Boulton y Watt dependieron de terceros para la fabricación de las piezas del motor (por ejemplo, John Wilkinson) hasta 1795, lo que provocó retrasos. Además, preferían un contrato con pagos periódicos basados ​​en la cantidad de carbón ahorrado. Competidores como Bateman (desde 1791, Bateman y Sherratt) tenían su propia fundición en Salford y construyeron muchos motores atmosféricos, muchos de los cuales infringían la patente de Watt, lo que derivó en un juicio en 1796 y un acuerdo sustancial. Sin embargo, Boulton y Watt se negaron a concederles la licencia del condensador independiente. No obstante, Bateman y Sherratt, entre otros, continuaron vendiendo motores atmosféricos, algunos diseñados para usar el condensador independiente una vez que expirara la patente de Watt. Cuando las patentes expiraron en 1800, se produjo una avalancha de usuarios del condensador independiente, por lo que los motores Newcomen restantes fueron adaptados o reemplazados, incluso en las minas de carbón. Sin embargo, el uso de motores atmosféricos, aunque con el condensador separado de Watt, continuaría durante muchos años, ya que el uso de calderas de vapor de alta presión estaba en sus primeras etapas y aún no se había demostrado su eficacia.

La máquina de vapor conmemorativa de Newcomen puede verse en funcionamiento en Dartmouth , la ciudad natal de Newcomen, adonde fue trasladada en 1963 por la Sociedad Newcomen. Se cree que data de 1725, cuando se instaló inicialmente en la mina de carbón de Griff, cerca de Coventry. ^{[ 25 ]}

Se instaló un motor en una mina de carbón en Ashton-under-Lyne alrededor de 1760. ^{[ 26 ]} Conocido localmente como Fairbottom Bobs, ahora se conserva en el Museo Henry Ford en Dearborn, Michigan . ^{[ 27 ]}

La única máquina de vapor de estilo Newcomen que aún se conserva en su ubicación original se encuentra en lo que hoy es el Centro del Patrimonio de Elsecar , cerca de Barnsley, en el sur de Yorkshire. Probablemente fue la última máquina de vapor de estilo Newcomen utilizada comercialmente, ya que estuvo en funcionamiento desde 1795 hasta 1923. La máquina fue sometida a una extensa restauración, junto con su eje y sala de máquinas originales, que finalizó en otoño de 2014.

Hay dos ejemplos estáticos de una máquina de Newcomen. Uno está en el Museo de Ciencias de Londres . ^{[ 28 ]} Un segundo ejemplo está en el Museo Nacional de Escocia . Anteriormente estaba en la mina de carbón de Caprington en Kilmarnock . ^{[ 29 ]}

Otro ejemplo, utilizado originalmente en la mina de carbón de Farme, se exhibe en Summerlee, Museo de la Vida Industrial Escocesa ; curiosamente, se utilizaba para el cabrestante en lugar del bombeo de agua, y había estado en funcionamiento durante casi un siglo cuando se examinó in situ en 1902. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

En 1986, se completó una réplica operativa a escala real de la máquina de vapor de Newcomen de 1712 en el Black Country Living Museum en Dudley. ^{[ 32 ]} Es la única réplica operativa a tamaño real de la máquina que existe y se cree que está a un par de millas del sitio de la primera máquina completada, erigida en 1712. ^{[ 33 ]} La "máquina de bomberos", como se la conocía, es un impresionante edificio de ladrillo del que sobresale una viga de madera a través de una pared. Unas varillas cuelgan del extremo exterior de la viga y accionan las bombas en el fondo del pozo de la mina que elevan el agua a la superficie. La máquina en sí es simple, con solo una caldera, un cilindro y un pistón y válvulas de operación. Un fuego de carbón calienta el agua en la caldera, que es poco más que una bandeja cubierta, y el vapor generado pasa luego a través de una válvula al cilindro de latón sobre la caldera. El cilindro tiene más de 2 metros de largo y 52 centímetros de diámetro. El vapor en el cilindro se condensa inyectando agua fría y el vacío debajo del pistón tira del extremo interior de la viga hacia abajo y hace que la bomba se mueva. ^{[ 34 ]}

• Cronología de la energía de vapor
• Catarata : el dispositivo regulador de velocidad utilizado en las máquinas de vapor.
• Ferrocarril atmosférico

• Rolt, LTC; JS Allen (1977). La máquina de vapor de Thomas Newcomen . Hartington: páramo. pag.  160.ISBN​ 0-88202-171-0.
• Reimpresión: Rolt, LTC; JS Allen (1998). The Steam Engine of Thomas Newcomen . Ashbourne Derbs: Landmark Publishing. pág. 160. ISBN  1-901522-44-X.
• Kanefsky, John; John Robey (1980). "Máquinas de vapor en la Gran Bretaña del siglo XVIII: una evaluación cuantitativa". Tecnología y cultura . 21 (2): 161– 186. doi : 10.2307/3103337 . ISSN 0040-165X . JSTOR 3103337 .  
• Hulse, David K. (1999). El desarrollo inicial de la máquina de vapor . Leamington Spa, Reino Unido: TEE Publishing. ISBN 1-85761-119-5.
• "El desarrollo de la máquina de vapor II"  . Popular Science Monthly . Vol. 12. Diciembre de 1877. ISSN 0161-7370 – vía Wikisource . 

• Patrimonio Inglés – Registro de Monumentos Nacionales para el motor Elsecar Newcomen