Vés al contingut

Usuari:Mcapdevila/Història de la màquina de vapor

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure
La bomba de vapor Savery de 1698: el primer dispositiu de vapor d'èxit comercial, construït per Thomas Savery

La primera màquina de vapor rudimentària registrada va ser l' eolipil esmentat per Vitruvi entre el 30 i el 15 aC i, descrit per Heron d'Alexandria a l'Egipte romà del segle I. [1] Més tard es van experimentar o proposar diversos dispositius alimentats amb vapor, com ara la presa de vapor de Taqi al-Din, una turbina de vapor a l'Egipte otomà del segle XVI i la bomba de vapor de Thomas Savery a l'Anglaterra del segle XVII. El 1712, el motor atmosfèric de Thomas Newcomen es va convertir en el primer motor d'èxit comercial que utilitzava el principi del pistó i el cilindre, que era el tipus fonamental de màquina de vapor utilitzat fins a principis del segle XX. La màquina de vapor s'utilitzava per bombejar aigua fora de les mines de carbó.

Durant la Revolució Industrial, les màquines de vapor van començar a reemplaçar l'aigua i l'energia eòlica, i finalment es van convertir en la font dominant d'energia a finals del segle XIX i es van mantenir fins a les primeres dècades del segle XX, quan la turbina de vapor més eficient i la combustió interna. motor va donar lloc a la ràpida substitució de les màquines de vapor. La turbina de vapor s'ha convertit en el mètode més comú pel qual s'accionen els generadors d'energia elèctrica. [2] S'estan fent investigacions sobre els aspectes pràctics de reviure la màquina de vapor alternatiu com a base per a la nova onada de tecnologia de vapor avançada .

Precursors

[modifica]

Primers usos de l'energia del vapor

[modifica]
Eolípil .

El primer que va utilitzar el vapor com a forma de transformar la calor en moviment va ser Archytas, que va impulsar un ocell de fusta per cables utilitzant vapor com a propulsor cap al 400 aC. [3] [4] [5] La primera màquina de vapor rudimentària i turbina de vapor de reacció coneguda, l' eolipile, és descrita per un matemàtic i enginyer anomenat Heron d'Alexandria a l'Egipte romà del segle I, tal com consta al seu manuscrit Spiritalia seu Pneumatica . [6] [7]

El mateix dispositiu també va ser esmentat per Vitruvi a De Architectura uns 100 anys abans. El vapor expulsat tangencialment dels broquets va fer girar una bola pivotada. La seva eficiència tèrmica era baixa. Això suggereix que la conversió de la pressió del vapor en moviment mecànic era coneguda a l'Egipte romà al segle I. Heron també va idear una màquina que utilitzava aire escalfat en un foc d'altar per desplaçar una quantitat d'aigua d'un recipient tancat. El pes de l'aigua es va fer per estirar una corda amagada per accionar les portes del temple. [7] [8] Alguns historiadors han combinat les dues invencions per afirmar, incorrectament, que l'eolípil era capaç de fer un treball útil.

Segons Guillem de Malmesbury, l'any 1125, Reims era la llar d'una església que tenia un orgue alimentat per l'aire que s'escapava de la compressió "per aigua calenta", aparentment dissenyat i construït pel professor Gerbertus. [7] [9]

Entre els documents de Leonardo da Vinci que daten a finals del segle XV hi ha el disseny d'un canó de vapor anomenat Architonnerre, que funciona per l'entrada sobtada d'aigua calenta en un canó segellat i roent. [10]

Una turbina de vapor d'impacte rudimentària va ser descrita l'any 1551 per Taqi al-Din, un filòsof, astrònom i enginyer a l'Egipte otomà del segle XVI, que va descriure un mètode per fer girar un espit per mitjà d'un raig de vapor que jugava sobre pales giratòries al voltant de la perifèria de una roda. John Wilkins va descriure més tard un dispositiu similar per fer girar un espit el 1648. Aquests dispositius s'anomenaven llavors "molins", però ara es coneixen com a preses de vapor . Una altra turbina de vapor rudimentària semblant la mostra Giovanni Branca, un enginyer italià, l'any 1629 per fer girar un dispositiu d'escapament cilíndric que alternativament aixecava i deixava caure un parell de pistons que treballaven en morters. [11] El flux de vapor d'aquestes primeres turbines de vapor, però, no es va concentrar i la major part de la seva energia es va dissipar en totes direccions. Això hauria comportat un gran malbaratament d'energia i, per tant, mai es van considerar seriosament per a un ús industrial.

El 1605, el matemàtic francès David Rivault de Fleurance, en el seu tractat d'artilleria, va escriure sobre el seu descobriment que l'aigua, si es confinava en una bomba i s'escalfaria, faria explotar els obusos. [12]

L'any 1606, l' espanyol Jerónimo de Ayanz y Beaumont va demostrar i se li va concedir una patent per a una bomba d'aigua alimentada per vapor. La bomba es va utilitzar amb èxit per drenar les mines inundades de Guadalcanal, Espanya . [13]

Desenvolupament de la màquina de vapor comercial

[modifica]

"Els descobriments que, quan van reunir Thomas Newcomen el 1712, van donar com a resultat la màquina de vapor:" [14]

  • El concepte de buit (és a dir, una reducció de la pressió per sota de l'ambient)
  • El concepte de pressió
  • Tècniques per crear un buit
  • Un mitjà per generar vapor
  • El pistó i el cilindre


El 1643, Evangelista Torricelli va dur a terme experiments amb bombes d'aigua de succió per provar els seus límits, que era d'uns 32 peus. (La pressió atmosfèrica és de 32,9 peus o 10,03 metres. La pressió de vapor de l'aigua redueix l'alçada d'elevació teòrica.) Va idear un experiment utilitzant un tub ple de mercuri i invertit en un bol de mercuri (un baròmetre ) i va observar un espai buit sobre la columna de el mercuri, que teoritzava que no contenia res, és a dir, un buit. [15]

IInfluenciat per Torricelli, Otto von Guericke va inventar una bomba de buit modificant una bomba d'aire utilitzada per pressuritzar una pistola d'aire . Guericke va fer una manifestació el 1654 a Magdeburg, Alemanya, on va ser alcalde. Es van unir dos hemisferis de coure i es va bombejar aire. Els pesos lligats als hemisferis no podien separar-los fins que s'obria la vàlvula d'aire. L'experiment es va repetir el 1656 utilitzant dos equips de 8 cavalls cadascun, que no van poder separar els hemisferis de Magdeburg . [15]

Gaspar Schott va ser el primer a descriure l'experiment de l'hemisferi a la seva Mechanica Hydraulico-Pneumatica (1657). [15]

Després de llegir el llibre de Schott, Robert Boyle va construir una bomba de buit millorada i va realitzar experiments relacionats. [15]

Denis Papin es va interessar en el fet d'utilitzar un buit per generar força motriu mentre treballava amb Christiaan Huygens i Gottfried Leibniz a París el 1663. Papin va treballar per a Robert Boyle del 1676 al 1679, publicant un relat del seu treball a Continuation of New Experiments (1680) i va fer una presentació a la Royal Society el 1689. A partir de 1690 Papin va començar a experimentar amb un pistó per produir energia amb vapor, construint models de màquines de vapor. Va experimentar amb màquines de vapor atmosfèriques i de pressió, i va publicar els seus resultats el 1707. [15]

L'any 1663, Edward Somerset, segon marquès de Worcester, va publicar un llibre de 100 invents que descrivia un mètode per aixecar l'aigua entre pisos emprant un principi similar al d'una percoladora de cafè . El seu sistema va ser el primer a separar la caldera (un canó de canó escalfat) de l'acció de bombeig. Es va introduir aigua en un barril reforçat des d'una cisterna, i després es va obrir una vàlvula per admetre vapor d'una caldera separada. La pressió es va crear sobre la part superior de l'aigua, fent-la pujar per una canonada. [16] Va instal·lar el seu dispositiu alimentat amb vapor a la paret de la Gran Torre del castell de Raglan per subministrar aigua a través de la torre. Les ranures de la paret on es va instal·lar el motor encara es veien al segle XIX. No obstant això, ningú estava disposat a arriscar diners per un concepte tan revolucionari, i sense patrocinadors, la màquina va romandre sense desenvolupar. [15] [17]

Samuel Morland, un matemàtic i inventor que va treballar amb bombes, va deixar notes a l'Oficina d'ordenances de Vauxhall sobre un disseny de bomba de vapor que va llegir Thomas Savery . El 1698 Savery va construir una bomba de vapor anomenada "L'amic del miner". Feia servir tant el buit com la pressió. Aquests es van utilitzar per al servei de baixa potència durant diversos anys. [15]

Thomas Newcomen era un comerciant que comerciava amb articles de ferro colat. El motor de Newcomen es basava en el disseny del pistó i el cilindre proposat per Papin. En el motor de Newcomen, el vapor es va condensar per l'aigua ruixada dins del cilindre, fent que la pressió atmosfèrica mogués el pistó. El primer motor de Newcomen instal·lat per al bombeig en una mina el 1712 al Dudley Castle a Staffordshire. [15]

Cilindres

[modifica]
Disseny de Denis Papin per a un motor de pistó i cilindre, 1680.

Denis Papin (22 d'agost de 1647 - c. 1712 ) va ser un físic, matemàtic i inventor francès, conegut sobretot per la seva invenció pionera del digestor de vapor, el precursor de l'olla a pressió. A mitjans de la dècada de 1670, Papin va col·laborar amb el físic holandès Christiaan Huygens en un motor que expulsava l'aire d'un cilindre fent explotar la pólvora al seu interior. Adonant-se de la incompletitud del buit produït per aquest mitjà i en traslladar-se a Anglaterra l'any 1680, Papin va idear una versió del mateix cilindre que obtenia un buit més complet a partir de l'ebullició de l'aigua i deixant després que el vapor es condense; d'aquesta manera va poder aixecar pesos enganxant l'extrem del pistó a una corda que passava per sobre d'una politja. Com a model de demostració, el sistema va funcionar, però per repetir el procés s'ha hagut de desmuntar i tornar a muntar tot l'aparell. Papin va veure ràpidament que per fer un cicle automàtic el vapor s'hauria de generar per separat en una caldera; tanmateix, no va portar el projecte més lluny. Papin també va dissenyar un vaixell de rem impulsat per un jet que jugava sobre una roda de molí en una combinació de les concepcions de Taqi al Din i Savery i també se li atribueixen una sèrie de dispositius importants com la vàlvula de seguretat . Els anys d'investigació de Papin sobre els problemes de l'aprofitament del vapor havien de jugar un paper clau en el desenvolupament dels primers motors industrials d'èxit que aviat van seguir la seva mort.

Bomba de vapor Savery

[modifica]
Article principal: Thomas Savery

La primera màquina de vapor que es va aplicar industrialment va ser la "màquina de bombers" o "Amic del miner", dissenyada per Thomas Savery el 1698. Es tractava d'una bomba de vapor sense pistons, similar a la desenvolupada per Worcester. Savery va fer dues contribucions clau que van millorar molt la practicitat del disseny. En primer lloc, per permetre que el subministrament d'aigua es col·loqui a sota del motor, va utilitzar vapor condensat per produir un buit parcial al dipòsit de bombeig (el barril de l'exemple de Worcester) i el va utilitzar per tirar l'aigua cap amunt. En segon lloc, per refredar ràpidament el vapor per produir el buit, va fer passar aigua freda sobre el dipòsit.

El funcionament requeria diverses vàlvules; a l'inici d'un cicle, quan el dipòsit estava buit, s'obria una vàlvula per admetre vapor. Aquesta vàlvula es tancaria per segellar el dipòsit, i la vàlvula d'aigua de refrigeració s'obriria per condensar el vapor i crear un buit parcial. Aleshores s'obriria una vàlvula de subministrament, tirant l'aigua cap amunt cap a l'embassament; el motor típic podria tirar aigua fins a 20 peus. [18] A continuació, es va tancar i la vàlvula de vapor es va reobrir, generant pressió sobre l'aigua i bombejant-la cap amunt, com en el disseny de Worcester. Aquest cicle essencialment va duplicar la distància que es podia bombejar l'aigua per a qualsevol pressió de vapor donada, i els exemples de producció van elevar l'aigua uns 40 peus. [18]

El motor de Savery va resoldre un problema que fa poc s'havia convertit en un de greu; aixecant aigua de les mines del sud d'Anglaterra a mesura que arribaven a majors profunditats. El motor de Savery era una mica menys eficient que el de Newcomen, però això es va compensar pel fet que la bomba separada utilitzada pel motor Newcomen era ineficient, donant als dos motors aproximadament la mateixa eficiència de 6 milions de lliures peus per bushel de carbó (menys d'1 %)). [19] El motor Savery tampoc era molt segur perquè part del seu cicle requeria vapor a pressió subministrat per una caldera, i donada la tecnologia de l'època, el recipient a pressió no es podia fer prou fort i, per tant, era propens a l'explosió. [20] L'explosió d'una de les seves bombes a Broad Waters (prop de Wednesbury ), vers 1705, probablement marca la fi dels intents d'explotar el seu invent. [21]

Aquest motor de Savery era menys car que el de Newcomen i es va produir en mides més petites. [22] Alguns constructors van estar fabricant versions millorades del motor Savery fins a finals del segle XVIII. [19] Bento de Moura Portugal, FRS, va introduir una enginyosa millora de la construcció de Savery "per fer-la capaç de funcionar per si mateixa", tal com va descriure John Smeaton a les Philosophical Transactions publicades el 1751. [23]

Motors de condensació atmosfèrica

[modifica]

Motor "atmosfèric" nouvingut

[modifica]
Gravat del motor Newcomen. Sembla copiat d'un dibuix de l'obra de Desaguliers de 1744: "A course of experimental philosophy", que es creu que va ser una còpia invertida del gravat de Henry Beighton datat el 1717, que pot representar el que probablement és el segon motor Newcomen erigit cap al 1714. a Griff colliery, Warwickshire. [24]

Va ser Thomas Newcomen amb el seu " motor atmosfèric " de 1712 qui es pot dir que va reunir la majoria dels elements essencials establerts per Papin per tal de desenvolupar la primera màquina de vapor pràctica per a la qual hi podria haver una demanda comercial. Això va prendre la forma d'un motor de feix alternatiu instal·lat a nivell de superfície impulsant una successió de bombes en un extrem de la biga. El motor, unit per cadenes des de l'altre extrem de la biga, funcionava segons el principi atmosfèric o del buit. [25]

El disseny de Newcomen va utilitzar alguns elements de conceptes anteriors. Igual que el disseny Savery, el motor de Newcomen utilitzava vapor, refredat amb aigua, per crear un buit. No obstant això, a diferència de la bomba de Savery, Newcomen va utilitzar el buit per tirar d'un pistó en lloc d'estirar l'aigua directament. L'extrem superior del cilindre estava obert a la pressió atmosfèrica i, quan es va formar el buit, la pressió atmosfèrica per sobre del pistó el va empènyer cap avall cap al cilindre. El pistó estava lubricat i segellat amb un raig d'aigua de la mateixa cisterna que subministrava l'aigua de refrigeració. A més, per millorar l'efecte de refrigeració, va ruixar aigua directament al cilindre..

Animation of a Newcomen atmospheric engine in action
Animació d'un motor atmosfèric Newcomen en acció

El pistó estava unit per una cadena a una gran biga pivotant. Quan el pistó va estirar la biga, l'altre costat de la biga es va estirar cap amunt. Aquest extrem estava unit a una vareta que tirava d'una sèrie de mànecs de bombes convencionals a la mina. Al final d'aquesta carrera de potència, la vàlvula de vapor es va tornar a obrir i el pes de les barres de la bomba va estirar la biga cap avall, aixecant el pistó i tornant a treure vapor al cilindre.

L'ús del pistó i la biga va permetre al motor Newcomen alimentar bombes a diferents nivells a tota la mina, a més d'eliminar la necessitat de qualsevol vapor d'alta pressió. Tot el sistema estava aïllat en un únic edifici a la superfície. Tot i que ineficients i extremadament pesats en carbó (en comparació amb els motors posteriors), aquests motors van aixecar volums d'aigua molt més grans i des de profunditats més grans del que abans havia estat possible. [20] Més de 100 motors Newcomen es van instal·lar a Anglaterra el 1735, i s'estima que fins a 2.000 estaven en funcionament el 1800 (incloses les versions en Watt).

John Smeaton va fer nombroses millores al motor Newcomen, en particular els segells, i millorant-los va aconseguir gairebé triplicar la seva eficiència. També va preferir utilitzar rodes en comptes de bigues per transferir la potència del cilindre, cosa que feia que els seus motors fossin més compactes. Smeaton va ser el primer a desenvolupar una teoria rigorosa del disseny de funcionament de la màquina de vapor. Va treballar enrere a partir de la funció prevista per calcular la quantitat d' energia que es necessitaria per a la tasca, la mida i la velocitat d'un cilindre que el proporcionaria, la mida de la caldera necessària per alimentar-la i la quantitat de combustible que consumiria. . Aquests es van desenvolupar empíricament després d'estudiar desenes de motors Newcomen a Cornualla i Newcastle, i construir un motor experimental propi a casa seva a Austhorpe el 1770. Quan el motor Watt es va introduir només uns anys més tard, Smeaton havia construït desenes de motors cada vegada més grans al 100. gamma hp. [26]

Condensador separat de Watt

[modifica]
Motor de bombeig de Watt primerenc.

Mentre treballava a la Universitat de Glasgow com a fabricant d'instruments i reparador el 1759, James Watt va ser introduït al poder del vapor pel professor John Robison . Fascinat, Watt va començar a llegir tot el que va poder sobre el tema i va desenvolupar de manera independent el concepte de calor latent, publicat recentment per Joseph Black a la mateixa universitat. Quan Watt es va assabentar que la universitat posseïa un petit model d'un motor Newcomen que funcionava, va pressionar perquè el retornés de Londres, on s'estava reparant sense èxit. Watt va reparar la màquina, però va trobar que amb prou feines funcionava fins i tot quan estava completament reparada.

Després de treballar amb el disseny, Watt va concloure que el 80% del vapor utilitzat pel motor es va malgastar. En lloc de proporcionar força motriu, s'utilitzava per escalfar el cilindre. En el disseny Newcomen, cada cop de potència es va iniciar amb un esprai d'aigua freda, que no només va condensar el vapor, sinó que també va refredar les parets del cilindre. Aquesta calor va haver de ser substituïda abans que el cilindre tornés a acceptar vapor. En el motor Newcomen la calor era subministrada només pel vapor, de manera que quan es va obrir de nou la vàlvula de vapor la gran majoria es va condensar a les parets fredes tan bon punt va entrar al cilindre. Va passar una quantitat considerable de temps i vapor abans que el cilindre es tornés a escalfar i el vapor comencés a omplir-lo.

Watt va resoldre el problema de l'esprai d'aigua traient l'aigua freda a un cilindre diferent, col·locat al costat del cilindre de potència. Un cop completada la carrera d'inducció es va obrir una vàlvula entre ambdues, i qualsevol vapor que entrés al cilindre es condensaria dins d'aquest cilindre fred. Això crearia un buit que tiraria més vapor cap al cilindre, i així successivament fins que el vapor es va condensar majoritàriament. Aleshores es va tancar la vàlvula i el funcionament del cilindre principal va continuar com ho faria amb un motor Newcomen convencional. Com que el cilindre de potència es va mantenir a la temperatura operativa durant tot el temps, el sistema estava preparat per a un altre cop tan bon punt el pistó es va tirar cap amunt. Mantenir la temperatura era una jaqueta al voltant del cilindre on s'admetia vapor. Watt va produir un model de treball el 1765.

Convençut que aquest era un gran avenç, Watt va establir associacions per proporcionar capital de risc mentre treballava en el disseny. No content amb aquesta única millora, Watt va treballar incansablement en una sèrie d'altres millores a pràcticament totes les parts del motor. Watt va millorar encara més el sistema afegint una petita bomba de buit per treure el vapor del cilindre cap al condensador, millorant encara més els temps de cicle. Un canvi més radical del disseny Newcomen va ser tancar la part superior del cilindre i introduir vapor de baixa pressió per sobre del pistó. Ara la potència no es devia a la diferència de pressió atmosfèrica i al buit, sinó a la pressió del vapor i al buit, un valor una mica més elevat. En la carrera de retorn ascendent, el vapor de la part superior es transferia a través d'un tub a la part inferior del pistó a punt per ser condensat per a la carrera descendent. El segellat del pistó d'un motor Newcomen s'havia aconseguit mantenint una petita quantitat d'aigua a la seva part superior. Això ja no era possible al motor de Watt a causa de la presència del vapor. Watt va dedicar un esforç considerable per trobar un segell que funcionés, finalment obtingut mitjançant l'ús d'una barreja de sèu i oli. La tija del pistó també passava per una glàndula a la coberta superior del cilindre segellada de manera similar. [27]

El problema de segellat del pistó es va deure a no tenir cap manera de produir un cilindre prou rodó. Watt va intentar que els cilindres fossin avorrits de ferro colat, però no estaven massa rodons. Watt es va veure obligat a utilitzar un cilindre de ferro martellejat. [28] La següent cita és de Roe (1916):

"Quan [John] Smeaton va veure el motor per primera vegada, va informar a la Societat d'Enginyers que "ni existien les eines ni els treballadors que poguessin fabricar una màquina tan complexa amb la precisió suficient"" [28]

Finalment, Watt va considerar el disseny prou bo per llançar-lo el 1774, i el motor Watt va ser llançat al mercat. Com que algunes parts del disseny es podien adaptar fàcilment als motors Newcomen existents, no hi havia necessitat de construir un motor completament nou a les mines. En canvi, Watt i el seu soci comercial Matthew Boulton van llicenciar les millores als operadors de motors, cobrant-los una part dels diners que estalviarien en la reducció dels costos del combustible. El disseny va tenir un gran èxit, i la companyia Boulton and Watt es va formar per llicenciar el disseny i ajudar els nous fabricants a construir els motors. Més tard, els dos obririen la foneria Soho per produir motors propis.

L'any 1774, John Wilkinson va inventar una perforadora amb l'eix que subjectava l'eina de mandrinar recolzada als dos extrems, estenent-se a través del cilindre, a diferència de les perforadores en voladís que s'utilitzaven llavors. Amb aquesta màquina va poder perforar amb èxit el cilindre del primer motor comercial de Boulton i Watt el 1776. [28]

Watt mai va deixar de millorar els seus dissenys. Això va millorar encara més la velocitat del cicle de funcionament, va introduir governadors, vàlvules automàtiques, pistons de doble efecte, una varietat de preses de força rotatives i moltes altres millores. La tecnologia de Watt va permetre l'ús comercial generalitzat de màquines de vapor estacionàries. [29]

Humphrey Gainsborough va produir un model de màquina de vapor de condensació a la dècada de 1760, que va mostrar a Richard Lovell Edgeworth, membre de la Societat Lunar . Gainsborough creia que Watt havia utilitzat les seves idees per a la invenció; [30] tanmateix, James Watt no era membre de la Societat Lunar en aquest període i els seus nombrosos relats que explicaven la successió dels processos de pensament que conduïen al disseny final tendirien a desmentir aquesta història.

La potència encara estava limitada per la baixa pressió, el desplaçament del cilindre, les velocitats de combustió i evaporació i la capacitat del condensador. La màxima eficiència teòrica estava limitada pel diferencial de temperatura relativament baix a banda i banda del pistó; això significava que perquè un motor Watt proporcionés una quantitat útil de potència, els primers motors de producció havien de ser molt grans i, per tant, eren cars de construir i instal·lar.

Motors rotatius i de doble efecte en watt

[modifica]

Watt va desenvolupar un motor de doble efecte en el qual el vapor impulsava el pistó en ambdues direccions, augmentant així la velocitat i l'eficiència del motor. El principi de doble efecte també va augmentar significativament la potència d'un motor determinat de mida física. [31] [32]

Boulton & Watt van desenvolupar el motor alternatiu en el tipus rotatiu . A diferència del motor Newcomen, el motor Watt podria funcionar prou suaument com per connectar-se a un eix motriu, mitjançant engranatges solars i planetaris, per proporcionar potència rotativa juntament amb cilindres de condensació de doble efecte. El primer exemple es va construir com a demostrador i es va instal·lar a la fàbrica de Boulton per treballar màquines per a lligar (polir) botons o similars. Per aquest motiu sempre es va conèixer com el Lap Engine . [33] [34] En les primeres màquines de vapor, el pistó sol estar connectat per una barra a una biga equilibrada, en lloc de directament a un volant, i per tant aquests motors es coneixen com a beam engines .

Les primeres màquines de vapor no proporcionaven una velocitat prou constant per a operacions crítiques com la filatura del cotó. Per controlar la velocitat s'utilitzava el motor per bombar aigua per a una roda d'aigua, que alimentava la maquinària. [35] [36]

Motors d'alta pressió

[modifica]

A mesura que avançava el segle XVIII, la crida era de pressions més altes; Watt va resistir amb força a això, que va utilitzar el monopoli que li va donar la seva patent per evitar que altres construïssin motors d'alta pressió i els utilitzessin en vehicles. Desconfiava de la tecnologia de les calderes de l'època, de la seva construcció i de la resistència dels materials utilitzats.

Els avantatges importants dels motors d'alta pressió eren:

  • Es podrien fer molt més petits que abans per a una potència de sortida determinada. Hi havia, doncs, el potencial de desenvolupar màquines de vapor que fossin prou petites i potents per impulsar-se elles mateixes i altres objectes. Com a resultat, l'energia de vapor per al transport es va convertir ara en una pràctica en forma de vaixells i vehicles terrestres, que van revolucionar els negocis de càrrega, els viatges, l'estratègia militar i, essencialment, tots els aspectes de la societat.
  • A causa de la seva mida més petita, eren molt menys cares.
  • No requerien les quantitats importants d'aigua de refrigeració del condensador que necessiten els motors atmosfèrics.
  • Es podrien dissenyar per funcionar a velocitats més altes, fent-los més adequats per alimentar maquinària.
  1. En el rang de baixa pressió eren menys eficients que els motors de condensació, sobretot si el vapor no s'utilitzava de manera expansiva.
  2. Eren més susceptibles a les explosions de les calderes.

La principal diferència entre el funcionament de les màquines de vapor d'alta pressió i de baixa pressió és la font de la força que mou el pistó. En els motors de Newcomen i Watt, és la condensació del vapor la que crea la major part de la diferència de pressió, provocant la pressió atmosfèrica (Newcomen) i el vapor de baixa pressió, rarament més de 7 psi de pressió de la caldera, [37] més el buit del condensador [38] (Watt), per moure el pistó. En un motor d'alta pressió, la major part de la diferència de pressió la proporciona el vapor d'alta pressió de la caldera; el costat de baixa pressió del pistó pot estar a pressió atmosfèrica o connectat a la pressió del condensador. El diagrama indicador de Newcomen, gairebé tots per sota de la línia atmosfèrica, veuria un renaixement gairebé 200 anys més tard amb el cilindre de baixa pressió dels motors de triple expansió aportant al voltant del 20% de la potència del motor, de nou gairebé completament per sota de la línia atmosfèrica. [39]

El primer defensor conegut del "strong steam" o "vapor fort" va ser Jacob Leupold en el seu esquema per a un motor que va aparèixer en obres enciclopèdiques des del c. 1725 . Diversos projectes de vaixells i vehicles propulsats a vapor també van aparèixer al llarg del segle, un dels més prometedors va ser la construcció de Nicolas-Joseph Cugnot, que va demostrar el seu "fardier" (vagó de vapor) el 1769. Tot i que es desconeix la pressió de treball utilitzada per a aquest vehicle, la petita mida de la caldera donava un ritme de producció de vapor insuficient per permetre al fardier avançar més d'uns centenars de metres alhora abans d'haver d'aturar-se per augmentar el vapor. Es van proposar altres projectes i models, però igual que amb el model de William Murdoch de 1784, molts van ser bloquejats per Boulton i Watt.

Això no s'aplicava als EUA, i el 1788 un vaixell de vapor construït per John Fitch va operar en servei comercial regular al llarg del riu Delaware entre Filadèlfia, Pennsilvània, i Burlington, Nova Jersey, transportant fins a 30 passatgers. Aquest vaixell normalment podia fer de 7 a 8 milles per hora i va viatjar més de 2,000 milles (3,200 km) durant la seva curta durada de servei. El vaixell de vapor Fitch no va ser un èxit comercial, ja que aquesta ruta estava adequadament coberta per carreteres de vagons relativament bones. El 1802, William Symington va construir un vaixell de vapor pràctic, i el 1807, Robert Fulton va utilitzar una màquina de vapor Watt per impulsar el primer vaixell de vapor amb èxit comercial.

Oliver Evans, al seu torn, era partidari del "vapor fort" que va aplicar als motors de vaixells i als usos estacionaris. Va ser un pioner de les calderes cilíndriques; tanmateix, les calderes d'Evans van patir diverses explosions greus de les calderes, que van tendir a donar pes als escrúpols de Watt. Va fundar la Pittsburgh Steam Engine Company el 1811 a Pittsburgh, Pennsilvània. [40] La companyia va introduir màquines de vapor d'alta pressió al comerç de vaixells fluvials a la conca hidrogràfica del Mississipí .

La primera màquina de vapor d'alta pressió va ser inventada l'any 1800 per Richard Trevithick . [41]

La importància d'elevar el vapor sota pressió (des del punt de vista termodinàmic ) és que aconsegueixi una temperatura més alta. Així, qualsevol motor que utilitzi vapor d'alta pressió funciona a una temperatura i un diferencial de pressió més alts que els possibles amb un motor de buit de baixa pressió. Així, el motor d'alta pressió es va convertir en la base per al desenvolupament de la tecnologia de vapor alternatiu. Tot i així, cap a l'any 1800, l'"alta pressió" arribava fins a una pressió que avui es consideraria una pressió molt baixa, és a dir, 40-50 psi (276-345 kPa), la qüestió és que el motor d'alta pressió en qüestió no tenia condensació., impulsat únicament per la potència expansiva del vapor, i un cop aquest vapor havia realitzat el treball, normalment s'esgotava a una pressió superior a la atmosfèrica. L'explosió del vapor esgotador a la xemeneia es podria aprofitar per crear corrent induït a través de la reixa de foc i augmentar així la velocitat de combustió, per tant, creant més calor en un forn més petit, a costa de crear contrapressió al costat d'escapament del pistó.

El 21 de febrer de 1804, a les ferreries de Penydarren a Merthyr Tydfil al Sud de Gal·les, es va demostrar la primera màquina de vapor o locomotora de vapor autopropulsada per ferrocarril, construïda per Richard Trevithick . [42]

Motor de bombeig Trevithick (sistema Cornish).

Al voltant de 1811, Richard Trevithick va haver d'actualitzar un motor de bombeig Watt per adaptar-lo a una de les seves noves grans calderes cilíndriques de Cornualla . Quan Trevithick va marxar a Amèrica del Sud el 1816, les seves millores van ser continuades per William Sims . Paral·lelament, Arthur Woolf va desenvolupar un motor compost amb dos cilindres, de manera que el vapor es va expandir en un cilindre d'alta pressió abans de ser alliberat en un de baixa pressió. L'eficiència va ser millorada encara més per Samuel Groase, que va aïllar la caldera, el motor i les canonades. [43]

La pressió del vapor per sobre del pistó es va augmentar fins arribar 40 psi (0.28 MPa) o fins i tot 50 psi (0.34 MPa) i ara proporcionava gran part de la potència per al traç descendent; al mateix temps es va millorar la condensació. Això va augmentar considerablement l'eficiència i els motors de bombeig addicionals del sistema Còrnic (sovint coneguts com a motors Còrnics ) es van continuar construint nous al llarg del segle XIX. Els motors Watt més antics es van actualitzar per adaptar-los.

L'adopció d'aquestes millores còrniques va ser lenta a les zones de fabricació tèxtil on el carbó era barat, a causa del major cost de capital dels motors i del major desgast que patien. El canvi només va començar a la dècada de 1830, generalment mitjançant l'addició d'un altre cilindre (d'alta pressió). [44]

Una altra limitació de les primeres màquines de vapor era la variabilitat de la velocitat, fet que les feia inadequades per a moltes aplicacions tèxtils, especialment per a la filatura. Per tal d'obtenir velocitats constants, les primeres fàbriques tèxtils alimentades amb vapor utilitzaven la màquina de vapor per bombejar aigua a una roda hidràulica, que impulsava la maquinària. [45]

Molts d'aquests motors es van subministrar a tot el món i van oferir un servei fiable i eficient durant molts anys amb un consum de carbó molt reduït. Alguns d'ells eren molt grans i el tipus es va continuar construint fins a la dècada de 1890.

Motor Corliss

[modifica]
"Els equips de vàlvules Corliss millorats de Gordon", vista detallada. La placa de canell és la placa central des de la qual s'irradien les barres a cadascuna de les 4 vàlvules.

La màquina de vapor Corliss (patentada el 1849) es va anomenar la millora més gran des de James Watt. [46] El motor Corliss havia millorat molt el control de velocitat i una millor eficiència, fent-lo adequat per a tot tipus d'aplicacions industrials, inclosa la filatura.

Corliss utilitzava ports separats per al subministrament de vapor i l'escapament, que evitaven que l'escapament refredessin el pas utilitzat pel vapor calent. Corliss també va utilitzar vàlvules parcialment rotatives que proporcionaven una acció ràpida, ajudant a reduir les pèrdues de pressió. Les vàlvules en si eren també una font de fricció reduïda, especialment en comparació amb la vàlvula corredissa, que normalment utilitzava el 10% de la potència d'un motor. [47]

Corliss va utilitzar un tall variable automàtic. L'engranatge de la vàlvula controlava la velocitat del motor utilitzant el governador per variar el moment del tall. Això va ser en part responsable de la millora de l'eficiència, a més d'un millor control de velocitat.

Màquina de vapor d'alta velocitat Porter-Allen

[modifica]
Motor d'alta velocitat Porter-Allen. Amplieu-vos per veure el governador de Porter a la part davantera esquerra del volant

El motor Porter-Allen, introduït el 1862, utilitzava un mecanisme d'engranatge de vàlvules avançat desenvolupat per a Porter per Allen, un mecànic d'una habilitat excepcional, i al principi es coneixia generalment com el motor Allen. El motor d'alta velocitat era una màquina de precisió ben equilibrada, èxits possibles gràcies als avenços en màquines-eina i tecnologia de fabricació. [47]

El motor d'alta velocitat funcionava a velocitats de pistó de tres a cinc vegades la velocitat dels motors normals. També tenia poca variabilitat de velocitat. El motor d'alta velocitat s'utilitzava àmpliament a les serradores per alimentar les serres circulars. Més tard es va utilitzar per a la generació elèctrica.

El motor tenia diversos avantatges. En alguns casos, es podria acoblar directament. Si s'utilitzen engranatges o corretges i tambors, podrien ser de mides molt més petites. El motor en si també era petit per la quantitat de potència que desenvolupava. [47]

Porter va millorar molt el governador de bola volant reduint el pes giratori i afegint un pes al voltant de l'eix. Això va millorar significativament el control de velocitat. El governador de Porter es va convertir en el tipus principal el 1880.

L'eficiència del motor Porter-Allen era bona, però no igual a la del motor Corliss.

Motor uniflow (o unaflow).

[modifica]

El motor uniflow era el tipus de motor d'alta pressió més eficient. Va ser inventat el 1911 i va ser utilitzat en vaixells, però va ser desplaçat per turbines de vapor i més tard motors dièsel marins . [47] [48] [49] [14]

Referències

[modifica]
  1. ↑ "turbine." Encyclopædia Britannica. 2007. Encyclopædia Britannica Online. 18 July
  2. ↑ Wiser, Wendell H. Energy resources: occurrence, production, conversion, use. Birkhäuser, 2000, p. 190. ISBN 978-0-387-98744-6. 
  3. ↑ Leofranc Holford-Strevens. Aulus Gellius: An Antonine Author and his Achievement. Revised paperback. Oxford University Press, 2005. ISBN 0-19-928980-8. 
  4. ↑ Aulus Gellius, "Attic Nights", Book X, 12.9 at LacusCurtius
  5. ↑ ARCHYTAS OF TARENTUM, Technology Museum of Thessaloniki, Macedonia, Greece. Arxivat December 26, 2008, a Wayback Machine.
  6. ↑ Heron Alexandrinus (Hero of Alexandria) (c. 62 CE): Spiritalia seu Pneumatica. Reprinted 1998 by K G Saur GmbH, Munich. ISBN 3-519-01413-0.
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 Dayton, Fred Erving. «Two Thousand Years of Steam». A: Steamboat Days. Frederick A. Stokes company, 1925, p. 1. [Enllaç no actiu] Error de citació: Etiqueta <ref> no vàlida; el nom «Dayton1925» està definit diverses vegades amb contingut diferent.
  8. ↑ Hero of Alexandria. «Temple Doors opened by Fire on an Altar». Pneumatics of Hero of Alexandria. London: Taylor Walton and Maberly (online edition from University of Rochester, Rochester, NY). Arxivat de l'original el 2008-05-09. [Consulta: 23 abril 2008].
  9. ↑ «Thurston, Robert (1878), "A history of the growth of the steam engine"». History.rochester.edu, 16-12-1996. Arxivat de l'original el 1997-06-29. [Consulta: 26 gener 2012].
  10. ↑ Thurston, Robert Henry. A History of the Growth of the Steam-Engine. reprint. Elibron, 1996, p. 12. ISBN 1-4021-6205-7. 
  11. ↑ «University of Rochester, NY, The growth of the steam engine online history resource, chapter one». History.rochester.edu. Arxivat de l'original el 2012-02-04. [Consulta: 26 gener 2012].
  12. ↑ Robert Henry Thurston, A history of the growth of the steam-engine, D. Appleton and company, 1903, Google Print, p.15-16 (public domain)
  13. ↑ Garcia, Nicolas. Mas alla de la Leyenda Negra. Valencia: Universidad de Valencia, 2007, p. 443–454. ISBN 9788437067919. 
  14. ↑ 14,0 14,1 McNeil, Ian. An Encyclopedia of the History of Technology. London: Routledge, 1990. ISBN 0-415-14792-1.  Error de citació: Etiqueta <ref> no vàlida; el nom «McNeil1990» està definit diverses vegades amb contingut diferent.
  15. ↑ 15,0 15,1 15,2 15,3 15,4 15,5 15,6 15,7 Johnson, Steven. The Invention of Air: A story of Science, Faith, Revolution and the Birth of America. New York: Riverhood Books, 2008. ISBN 978-1-59448-852-8.  Error de citació: Etiqueta <ref> no vàlida; el nom «Johnson_2008» està definit diverses vegades amb contingut diferent.
  16. ↑ Tredgold, pg. 3
  17. ↑ Thurston, Robert Henry. A History of the Growth of the Steam-Engine. London: Keegan Paul and Trench (reprinted Adamant 2001), 1883, p. 21–22. ISBN 1-4021-6205-7. 
  18. ↑ 18,0 18,1 Tredgold, pg. 6
  19. ↑ 19,0 19,1 Landes, David. S.. The Unbound Prometheus: Technological Change and Industrial Development in Western Europe from 1750 to the Present. Cambridge, New York: Press Syndicate of the University of Cambridge, 1969. ISBN 0-521-09418-6. 
  20. ↑ 20,0 20,1 L. T. C. Rolt and J. S. Allen, The Steam Engine of Thomas Newcomen (Landmark Publishing, Ashbourne 1997).
  21. ↑ P. W. King Mining History: The Bulletin of the Peak District Mines History Society, 16, 6, pàg. 42–3.
  22. ↑ Jenkins, Rhys. Links in the History of Engineering and Technology from Tudor Times. Cambridge (1st), Books for Libraries Press (2nd): The Newcomen Society at the Cambridge University Press, 1936. ISBN 0-8369-2167-4. 
  23. ↑ Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 47, 31-12-1752, pàg. 436–438. DOI: 10.1098/rstl.1751.0073.
  24. ↑ Hulse David K (1999): "The early development of the steam engine"; TEE Publishing, Leamington Spa, UK, ISBN, 85761 107 1
  25. ↑ «Paxton Engineering Division Report (2 of 3)». Content.cdlib.org, 20-10-2009. [Consulta: 26 gener 2012].
  26. ↑ Tredgold, pg. 21-24
  27. ↑ «Energy Hall | See 'Old Bess' at work». Science Museum. Arxivat de l'original el 2012-02-05. [Consulta: 26 gener 2012].
  28. ↑ 28,0 28,1 28,2 Roe, Joseph Wickham (1916), English and American Tool Builders, Yale University Press, <https://books.google.com/books?id=X-EJAAAAIAAJ>. Reprinted by McGraw-Hill, New York and London, 1926 (LCCN 27024075-{{{3}}}); and by Lindsay Publications, Inc., Bradley, Illinois, (ISBN 978-0-917914-73-7). Error de citació: Etiqueta <ref> no vàlida; el nom «Roe1916» està definit diverses vegades amb contingut diferent.
  29. ↑ Ogg, David. (1965), Europe of the Ancien Regime: 1715-1783 Fontana History of Europe, (pp. 117 & 283)
  30. ↑ Tyler, David (2004): Oxford Dictionary of National Biography. Oxford University Press.
  31. ↑ Ayres, Robert , 1989, pàg. 13 [Consulta: 8 desembre 2015].
  32. ↑ Rosen, William. The Most Powerful Idea in the World: A Story of Steam, Industry and Invention. University Of Chicago Press, 2012, p. 185. ISBN 978-0226726342. 
  33. ↑ «The "Lap engine" in the Science Museum Group collection». collection.sciencemuseumgroup.org.uk. [Consulta: 11 maig 2020].
  34. ↑ Hulse, David K., The development of rotary motion by steam power (TEE Publishing Ltd., Leamington, UK., 2001) ISBN 1-85761-119-5
  35. ↑ Thomson, Ross. Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United States 1790-1865. Baltimore, MD: The Johns Hopkins University Press, 2009, p. 47. ISBN 978-0-8018-9141-0. 
  36. ↑ Bennett, S. A History of Control Engineering 1800-1930. London: Peter Peregrinus Ltd., 1979, p. 2. ISBN 0-86341-047-2. 
  37. ↑ https://archive.org/stream/cu31924004249532#page/n45/mode/2up p.21
  38. ↑ "The Steam Engine a brief history of the reciprocating engine, R.J.Law, Science Museum, Her Majesty's Stationery Office London, ISBN 0 11 290016 X, p.12
  39. ↑ «Member Login - Graces Guide».
  40. ↑ Meyer, David R. Networked machinists: high-technology industries in Antebellum America. Baltimore: Johns Hopkins University Press, 2006, p. 44 (Johns Hopkins studies in the history of technology). ISBN 978-0-8018-8471-9. OCLC 65340979. 
  41. ↑ «Engineering Timelines - Richard Trevithick - High pressure steam».
  42. ↑ Young, Robert: "Timothy Hackworth and the Locomotive"; the Book guild Ltd, Lewes, U.K. (2000) (reprint of 1923 ed.) pp.18-21
  43. ↑ Nuvolari, Alessandro; Verspagen, Bart Transactions of the Newcomen Society, 77, 2, 2007, pàg. 167–190. DOI: 10.1179/175035207X204806.
  44. ↑ Nuvolari, Alessandro; Verspagen, Bart Economic History Review, 63, 3, 2009, pàg. 685–710. DOI: 10.1111/j.1468-0289.2009.00472.x.
  45. ↑ Thomson, Ross. Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United States 1790-1865. Baltimore, MD: The Johns Hopkins University Press, 2009, p. 83–85. ISBN 978-0-8018-9141-0. 
  46. ↑ Thomson, p. 83-85.
  47. ↑ 47,0 47,1 47,2 47,3 Hunter, Louis C. A History of Industrial Power in the United States, 1730-1930, Vol. 2: Steam Power. Charlottesville: University Press of Virginia, 1985.  Error de citació: Etiqueta <ref> no vàlida; el nom «Hunter and Bryant» està definit diverses vegades amb contingut diferent.
  48. ↑ McNeil, Ian. An Encyclopedia of the History of Technology. London: Routledge, 1990. ISBN 0415147921. 
  49. ↑ Marc Levinson. The Box: How the Shipping Container Made the World Smaller and the World Economy Bigger. Princeton Univ. Press, 2006. ISBN 0-691-12324-1. Discusses engine types in the container shipping era but does not even mention uniflo.

Bibliografia

[modifica]
Obtingut de «https://ca.wikipedia.org/w/index.php?title=Usuari:Mcapdevila/Història_de_la_màquina_de_vapor&oldid=33384104»