Máquina de vapor de Watt

La máquina de vapor de Watt fue un invento de James Watt que impulsó la Revolución Industrial . ^{[ 1 ]} Según la Encyclopædia Britannica , fue "la primera máquina de vapor verdaderamente eficiente". ^{[ 2 ]}

La máquina de vapor de Watt se inspiró en la máquina atmosférica de Newcomen , presentada por Thomas Newcomen en 1712. Al final de la carrera de potencia , el peso del objeto movido por la máquina empujaba el pistón hacia la parte superior del cilindro al introducirse el vapor. A continuación, el cilindro se enfriaba mediante un chorro de agua, lo que provocaba la condensación del vapor, creando un vacío parcial en su interior. La presión atmosférica sobre la parte superior del pistón lo empujaba hacia abajo, elevando el objeto. James Watt observó que se requería una cantidad considerable de calor para calentar el cilindro hasta el punto en que el vapor pudiera entrar sin condensarse inmediatamente. Cuando el cilindro alcanzaba la temperatura suficiente para llenarse de vapor, podía comenzar la siguiente carrera de potencia.

Watt se percató de que el calor necesario para calentar el cilindro podía ahorrarse añadiendo un cilindro condensador independiente. Tras llenar el cilindro principal con vapor, se abría una válvula hacia el cilindro secundario, permitiendo que el vapor fluyera hacia él para condensarse, extrayendo así el vapor del cilindro principal y generando la carrera de potencia. El cilindro condensador se refrigeraba con agua para mantener la condensación del vapor. Al finalizar la carrera de potencia, se cerraba la válvula para que el cilindro principal pudiera llenarse de vapor mientras el pistón ascendía. El resultado era el mismo ciclo que el diseño de Newcomen, pero sin refrigeración del cilindro principal, que quedaba inmediatamente listo para otra carrera.

Watt trabajó en el diseño durante varios años, introduciendo el condensador y mejoras en prácticamente todos los componentes. En particular, Watt realizó una larga serie de pruebas para sellar el pistón en el cilindro, lo que redujo considerablemente las fugas durante la carrera de potencia, evitando así la pérdida de energía. Todos estos cambios dieron como resultado un diseño más fiable que utilizaba la mitad de carbón para producir la misma cantidad de energía. ^{[ 3 ]}

The new design was introduced commercially in 1776, with the first example sold to the Carron Company ironworks near Falkirk in Scotland. About the same time, Watt encountered a business problem that led him to introduce a new unit of measurement of power, or the rate at which work is done: the horsepower. His earlier business agreements framed his earnings in how much coal the customer of the steam engine saved, but when discussing installing a steam engine for a London brewer, that business did not use coal - it used horses to drive the mills.^[4]

Watt continued working to improve the engine, and in 1781 introduced a system using a sun and planet gear to turn the linear motion of the engines into rotary motion. This made it useful not only in the original pumping role, but also as a direct replacement in roles where a water wheel would have been used previously. This was a key moment in the industrial revolution, since power sources could now be located anywhere instead of, as previously, needing a suitable water source and topography. Watt's partner Matthew Boulton began developing a multitude of machines that made use of this rotary power, developing the first modern industrialized factory, the Soho Foundry, which in turn produced new steam engine designs.

Watt's early engines were like the original Newcomen designs in that they used low-pressure steam, and all of the power was produced by atmospheric pressure. When other companies introduced high-pressure steam engines in the early 1800s, Watt was reluctant to follow suit due to safety concerns.^[5] Wanting to improve on the performance of his engines, Watt began considering the use of higher-pressure steam, as well as designs using multiple cylinders in both the double-acting concept and the multiple-expansion concept. These double-acting engines required the invention of the parallel motion, which allowed the piston rods of the individual cylinders to move in straight lines, keeping the piston true in the cylinder, while the walking beam end moved through an arc, somewhat analogous to a crosshead in later steam engines.

En 1698, el diseñador mecánico inglés Thomas Savery inventó un aparato de bombeo que utilizaba vapor para extraer agua directamente de un pozo mediante el vacío creado por la condensación del vapor. El aparato también se propuso para el drenaje de minas , pero solo podía extraer fluido hasta aproximadamente 7,5 metros (25 pies ) , lo que significaba que debía ubicarse a esa distancia del fondo de la mina que se estaba drenando. A medida que las minas se hacían más profundas, esto resultaba a menudo impracticable. Además, consumía una gran cantidad de combustible en comparación con los motores posteriores. ^{[ 6 ]} 

La solución para el drenaje de minas profundas fue hallada por Thomas Newcomen, quien desarrolló una máquina atmosférica que también funcionaba según el principio del vacío. Esta máquina empleaba un cilindro con un pistón móvil conectado por una cadena a un extremo de una viga oscilante que accionaba una bomba de elevación mecánica desde su extremo opuesto. En la parte inferior de cada carrera, se permitía la entrada de vapor al cilindro, debajo del pistón. A medida que el pistón ascendía dentro del cilindro, impulsado por un contrapeso, aspiraba vapor a presión atmosférica. En la parte superior de la carrera, se cerraba la válvula de vapor y se inyectaba brevemente agua fría en el cilindro para enfriar el vapor. Esta agua condensaba el vapor y creaba un vacío parcial debajo del pistón. La presión atmosférica fuera de la máquina era entonces mayor que la presión dentro del cilindro, empujando así el pistón hacia adentro. El pistón, unido a una cadena y a su vez a un extremo de la viga oscilante, tiraba hacia abajo de dicho extremo, elevando el extremo opuesto de la viga. De esta manera, se accionaba la bomba ubicada en las profundidades de la mina, conectada al extremo opuesto de la viga mediante cuerdas y cadenas. La bomba empujaba, en lugar de tirar, de la columna de agua hacia arriba, por lo que podía elevar el agua a cualquier distancia. Una vez que el pistón llegaba al fondo, el ciclo se repetía. ^{[ 6 ]}

La máquina de Newcomen era más potente que la de Savery. Por primera vez, se podía extraer agua de una profundidad de más de 90 metros (300 pies ) . ^{[ 7 ]} El primer ejemplar, de 1712, pudo reemplazar a un equipo de 500 caballos que se utilizaba para bombear el agua de la mina. ^{[ 8 ]} Setenta y cinco máquinas de bombeo de Newcomen se instalaron en minas de Gran Bretaña, Francia, Holanda, Suecia y Rusia. En los siguientes cincuenta años, solo se realizaron algunos pequeños cambios en el diseño de la máquina. 

Si bien las máquinas de Newcomen ofrecían ventajas prácticas, resultaban ineficientes en cuanto al consumo de energía. El sistema de inyección alternada de vapor y agua fría en el cilindro provocaba que las paredes se calentaran y enfriaran alternativamente con cada ciclo. Cada carga de vapor introducida continuaba condensándose hasta que el cilindro alcanzaba nuevamente su temperatura de funcionamiento. Por lo tanto, en cada ciclo se perdía parte del potencial del vapor.

En 1763, James Watt trabajaba como fabricante de instrumentos en la Universidad de Glasgow cuando se le asignó la tarea de reparar un modelo de máquina de Newcomen y notó lo ineficiente que era. ^{[ 9 ]}

En 1765, Watt concibió la idea de equipar el motor con una cámara de condensación independiente , a la que denominó «condensador» . Gracias a la separación entre el condensador y el cilindro de trabajo , la condensación se producía sin una pérdida significativa de calor del cilindro. El condensador permanecía frío y por debajo de la presión atmosférica en todo momento, mientras que el cilindro se mantenía caliente.

El vapor se extraía de la caldera y se introducía en el cilindro situado bajo el pistón . Cuando el pistón alcanzaba la parte superior del cilindro, la válvula de entrada de vapor se cerraba y la válvula que controlaba el paso al condensador se abría. Al estar el condensador a menor presión, aspiraba el vapor del cilindro hacia su interior, donde se enfriaba y condensaba, pasando de vapor de agua a agua líquida. En el condensador se mantenía un vacío parcial que se comunicaba al espacio del cilindro mediante el conducto de conexión. La presión atmosférica externa empujaba entonces el pistón hacia abajo.

La separación del cilindro y el condensador eliminó la pérdida de calor que se producía al condensarse el vapor en el cilindro de trabajo de una máquina Newcomen. Esto le otorgó a la máquina Watt una mayor eficiencia que a la Newcomen, reduciendo el consumo de carbón al realizar la misma cantidad de trabajo.

En el diseño de Watt, el agua fría se inyectaba únicamente en la cámara de condensación. Este tipo de condensador se conoce como condensador de chorro . El condensador está ubicado en un baño de agua fría debajo del cilindro. El volumen de agua que ingresaba al condensador en forma de aerosol absorbía el calor latente del vapor y se determinó que era siete veces el volumen del vapor condensado. El condensado y el agua inyectada se eliminaban mediante una bomba de aire, y el agua fría circundante servía para absorber la energía térmica restante y mantener una temperatura del condensador de 30 a 45 °C (85 a 115 °F) y una presión equivalente de 0,04 a 0,1 bares (4,0 a 10,0 kPa; 0,6 a 1,5 psi) . ^{[ 10 ]}    

En cada ciclo, el condensado caliente se extraía del condensador y se enviaba a un depósito caliente mediante una bomba de vacío, que también ayudaba a evacuar el vapor de debajo del cilindro de potencia. El condensado, aún caliente, se reciclaba como agua de alimentación para la caldera.

La siguiente mejora de Watt al diseño de Newcomen consistió en sellar la parte superior del cilindro y rodearlo con una camisa. El vapor pasaba a través de la camisa antes de ser admitido debajo del pistón, manteniendo así el pistón y el cilindro calientes para evitar la condensación en su interior. La segunda mejora fue la utilización de la expansión del vapor contra el vacío en el otro lado del pistón. El suministro de vapor se cortaba durante la carrera, y el vapor se expandía contra el vacío en el otro lado. Esto aumentaba la eficiencia del motor, pero también creaba un par variable en el eje, lo cual era indeseable para muchas aplicaciones, en particular el bombeo. Por lo tanto, Watt limitó la expansión a una relación de 1:2 (es decir, el suministro de vapor se cortaba a la mitad de la carrera). Esto aumentó la eficiencia teórica del 6,4 % al 10,6 %, con solo una pequeña variación en la presión del pistón. ^{[ 10 ]} Watt no utilizó vapor a alta presión debido a preocupaciones de seguridad. ^{[ 5 ] : 85}

Estas mejoras llevaron a la versión completamente desarrollada de 1776 que finalmente entró en producción. ^{[ 11 ]}

James Watt se asoció con el Dr. Roebuck de la fundición Carron, cerca de Falkirk, a cambio de dos tercios de las ganancias del motor Watt. Roebuck saldó las deudas de Watt, financió la construcción de un prototipo en Kinneil House y le ayudó a obtener su patente de 1769. El condensador independiente mostraba un gran potencial de mejora en el motor Newcomen, pero Watt seguía desanimado por problemas aparentemente insuperables antes de poder perfeccionar un motor comercializable. El pistón del motor Newcomen no requería un sellado preciso con el cilindro, ya que era práctica común acumular agua sobre el pistón para facilitar el sellado; sin embargo, para que el motor Watt fuera eficiente, el cilindro debía mantenerse a temperatura de vapor, por lo que el pistón tenía que sellar sin agua. Watt intentó sin éxito durante cinco años obtener un cilindro perforado con precisión para su máquina de vapor. Joseph Wickham Roe declaró en 1916: "Cuando [John] Smeaton vio el primer motor, informó a la Sociedad de Ingenieros que 'No existían ni las herramientas ni los trabajadores que pudieran fabricar una máquina tan compleja con la precisión suficiente ' " . ^{[ 12 ]}

En 1773, el Dr. Roebuck sufrió graves problemas financieros, en parte debido a las inundaciones en su mina de carbón, y ante la insolvencia, acordó con Matthew Boulton cederle sus dos tercios de la patente de Watt a cambio de la cancelación de una deuda de 1200 libras esterlinas.

En 1774, John Wilkinson inventó un método para fundir y perforar con precisión cilindros de gran diámetro utilizando una máquina perforadora cuyo eje, que sostenía la herramienta de corte, se apoyaba en ambos extremos y se extendía a través del cilindro. Matthew Boulton se encargó de trasladar el prototipo del motor Kinneil a su taller de Soho , y utilizando un cilindro perforado por Wilkinson, junto con las instalaciones y la experiencia práctica de los artesanos, pronto lograron que el prototipo funcionara correctamente. Una vez desarrollado por completo, consumía aproximadamente un 75 % menos de combustible que un motor Newcomen similar. En 1775, Boulton & Watt se asociaron y comenzó la producción de motores Boulton & Watt. Sin embargo, se necesitaron 6 de los 14 años de vigencia de la patente para poner el motor en producción, por lo que en 1775 Boulton & Watt argumentaron que los 8 años restantes eran insuficientes para recuperar los enormes costos invertidos en la producción y lograron que el Parlamento extendiera la patente hasta 1800.

In 1775, Watt designed two large engines: one for the Bloomfield Colliery at Tipton, completed in March 1776, and one for John Wilkinson's ironworks at Broseley in Shropshire, which was at work the following month. A third engine, at Stratford-le-Bow in east London, was also working that summer.^[13]

Boulton wrote in 1776 that "Mr. Wilkinson has bored us several cylinders almost without error; that of 50 inches diameter, which we have put up at Tipton, does not err on the thickness of an old shilling in any part".^[12]

Boulton and Watt's business was to help mine-owners and other customers to build engines, supplying men to erect them and some specialised parts. The main hardware came from other suppliers, especially John Wilkinson who had an almost exclusive contract to provide the cylinders for the next 20 years. However, their main profit from their patent was derived from charging a licence fee to the engine owners, based on the cost of the fuel they saved (in most cases they were replacing Newcomen engines). The greater fuel efficiency of their engines meant that they were most attractive in areas where fuel was expensive, particularly Cornwall, for which three engines were ordered in 1777, for the Wheal Busy, Ting Tang, and Chacewater mines.^[14] Where there was a new installation they negotiated charges based on the engine size and use, and around 1784 Watt introduced the concept of the horse-power (HP) of an engine and charged £5 per HP per year for the duration of the patent.

The first Watt engines were atmospheric pressure engines, like the Newcomen engine but with the condensation taking place separate from the cylinder. Watt opposed the use of high pressure steam (e.g 2 atmospheres), and it was others such as Richard Trevithick in the late 1790s that developed it partly because using steam expansively without a condenser circumvented Watt's patent. Driving the engines using both low pressure steam and a partial vacuum raised the possibility of reciprocating engine development.^[15] An arrangement of valves could alternately admit low pressure steam to the cylinder and then connect with the condenser. Consequently, the direction of the power stroke might be reversed, making it easier to obtain rotary motion. Additional benefits of the double acting engine were increased efficiency, higher speed (greater power) and more regular motion.

Before the development of the double acting piston, the linkage to the beam and the piston rod had been by means of a chain, which meant that power could only be applied in one direction, by pulling. This was effective in engines that were used for pumping water, but the double action of the piston meant that it could push as well as pull. This was not possible as long as the beam and the rod were connected by a chain. Furthermore, it was not possible to connect the piston rod of the sealed cylinder directly to the beam, because while the rod moved vertically in a straight line, the beam was pivoted at its centre, with each side inscribing an arc. To bridge the conflicting actions of the beam and the piston, Watt developed his parallel motion. This device used a four bar linkage coupled with a pantograph to produce the required straight line motion much more cheaply than if he had used a slider type of linkage. He was very proud of his solution.

Having the beam connected to the piston shaft by a means that applied force alternately in both directions also meant that it was possible to use the motion of the beam to turn a wheel. The simplest solution to transforming the action of the beam into a rotating motion was to connect the beam to a wheel by a crank, but because another party had patent rights on the use of the crank, Watt was obliged to come up with another solution.^[17] He adopted the epicyclicsun and planet gear system suggested by an employee William Murdoch, only later reverting, once the patent rights had expired, to the more familiar crank seen on most engines today.^[18] The main wheel attached to the crank was large and heavy, serving as a flywheel which, once set in motion, by its momentum maintained a constant power and smoothed the action of the alternating strokes. To its rotating central shaft, belts and gears could be attached to drive a great variety of machinery.

Because factory machinery needed to operate at a constant speed, Watt linked a steam regulator valve to a centrifugal governor which he adapted from those used to automatically control the speed of windmills.^[19] The centrifugal was not a true speed controller because it could not hold a set speed in response to a change in load.^[20]

Estas mejoras permitieron que la máquina de vapor sustituyera a la rueda hidráulica y a los caballos como principales fuentes de energía para la industria británica, liberándola así de las limitaciones geográficas y convirtiéndose en uno de los principales motores de la Revolución Industrial .

Watt también se dedicó a la investigación fundamental sobre el funcionamiento de la máquina de vapor. Su instrumento de medición más notable, que aún se utiliza hoy en día, es el indicador de Watt, que incorpora un manómetro para medir la presión del vapor dentro del cilindro según la posición del pistón, lo que permite elaborar un diagrama que representa la presión del vapor en función de su volumen a lo largo del ciclo.

La máquina Watt más antigua que se conserva es Old Bess de 1777, que ahora se encuentra en el Museo de Ciencias de Londres . La máquina en funcionamiento más antigua del mundo es la Máquina Smethwick , puesta en servicio en mayo de 1779 y que ahora se encuentra en Thinktank en Birmingham (anteriormente en el ahora desaparecido Museo de Ciencia e Industria de Birmingham ). La más antigua que aún se conserva en su sala de máquinas original y que todavía es capaz de realizar el trabajo para el que fue instalada es la máquina Boulton y Watt de 1812 en la Estación de Bombeo de Crofton en Wiltshire . Esta se utilizaba para bombear agua para el Canal Kennet y Avon ; en ciertos fines de semana a lo largo del año, las bombas modernas se apagan y las dos máquinas de vapor de Crofton siguen realizando esta función. La máquina de vapor rotativa más antigua que se conserva, la Máquina Whitbread (de 1785, la tercera máquina rotativa jamás construida), se encuentra en el Museo Powerhouse en Sídney, Australia. Un motor Boulton-Watt de 1788 se puede encontrar en el Museo de Ciencias de Londres , ^{[ 21 ]} mientras que un motor soplador de 1817 , utilizado anteriormente en la fundición de hierro de Netherton de MW Grazebrook, ahora decora Dartmouth Circus , una isleta de tráfico al comienzo de la autopista A38(M) en Birmingham.

El Museo Henry Ford en Dearborn, Michigan , alberga una réplica de un motor rotativo Watt de 1788. Es un modelo funcional a escala real de un motor Boulton-Watt. El industrial estadounidense Henry Ford encargó la réplica del motor al fabricante inglés Charles Summerfield en 1932. ^{[ 22 ]} El museo también posee un motor de bomba atmosférica Boulton y Watt original, utilizado originalmente para el bombeo de canales en Birmingham, ^{[ 23 ]} ilustrado a continuación, y en uso in situ en la estación de bombeo de Bowyer Street, ^{[ 24 ] [ 25 ]} desde 1796 hasta 1854, y posteriormente trasladado a Dearborn en 1929.

Otro ejemplar se conserva en la fábrica de Fumel , en Francia.

• 
  La máquina de 1817 en Birmingham , Inglaterra.
• 
  Motor de bomba atmosférica Watt (1796) en el Museo Henry Ford.

En la década de 1880, Hathorn Davey and Co / Leeds fabricó un  motor atmosférico de 1 hp / 125 rpm con condensador externo pero sin expansión de vapor. Se ha argumentado que probablemente fue el último motor atmosférico comercial fabricado. Al ser un motor atmosférico, no tenía caldera presurizada. Estaba destinado a pequeñas empresas. ^{[ 26 ]}

El motor de expansión de Watt se considera generalmente de interés meramente histórico. Sin embargo, algunos avances recientes podrían propiciar un resurgimiento de esta tecnología. Hoy en día, la industria genera una enorme cantidad de vapor y calor residual con temperaturas entre 100 y 150 °C (210 y 300 °F) . Además, los colectores solares térmicos, las fuentes de energía geotérmica y los reactores de biomasa producen calor en este rango de temperatura. Existen tecnologías para aprovechar esta energía, en particular el ciclo Rankine orgánico (ORC). En principio, se trata de turbinas de vapor que no utilizan agua, sino un fluido (un refrigerante) que se evapora a temperaturas inferiores a 100 °C (212 °F) . No obstante, estos sistemas son bastante complejos. Funcionan con presiones de 6 a 20 bares (600 a 2000 kPa; 87 a 290 psi) , por lo que todo el sistema debe estar completamente sellado.      

El motor de expansión ofrece ventajas significativas, especialmente para potencias bajas de 2 a 100  kW: con relaciones de expansión de 1:5, la eficiencia teórica alcanza el 15%, dentro del rango de los sistemas ORC. Este motor utiliza agua como fluido de trabajo, un fluido sencillo, económico, no tóxico, no inflamable y no corrosivo. Funciona a presiones cercanas o inferiores a la atmosférica, lo que facilita el sellado. Además, es una máquina simple, lo que implica una buena relación costo-beneficio. Investigadores de la Universidad de Southampton (Reino Unido) están desarrollando una versión moderna del motor de Watt para generar energía a partir de vapor y calor residuales. Han mejorado la teoría, demostrando que son posibles eficiencias teóricas de hasta el 17,4% (y eficiencias reales del 11%). ^{[ 27 ]}

Para demostrar el principio, se construyó y probó un motor experimental de 25 vatios. El motor incorpora expansión de vapor, así como nuevas características como el control electrónico. La imagen muestra el modelo construido y probado en 2016. ^{[ 28 ]} Actualmente, se está preparando un proyecto para construir y probar un motor a escala de 2  kW. ^{[ 29 ]}

• ciclo de Carnot
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• Iván Polzunov

• Contenido multimedia relacionado con las máquinas de vapor de Watt en Wikimedia Commons.
• Motor atmosférico Watt – Universidad Estatal de Michigan, Ingeniería Química
• El "motor perfecto" de Watt. Archivado el 13 de noviembre de 2006 en Wayback Machine : extractos de las Transacciones de la Sociedad Newcomen.
• Motor Boulton & Watt. Archivado el 19 de agosto de 2017 en la Wayback Machine del Museo Nacional de Escocia.
• Máquina de vapor Boulton y Watt en el Museo Powerhouse, Sídney
• Ley de máquinas de vapor James Watt en el sitio web del Parlamento del Reino Unido