Motor de Cornualles

Una máquina de Cornualles es un tipo de máquina de vapor desarrollada en Cornualles , Inglaterra, principalmente para bombear agua de una mina. Es una forma de máquina de balancín que utiliza vapor a una presión mayor que las máquinas anteriores diseñadas por James Watt . Estas máquinas también se utilizaban para impulsar máquinas de transporte de mineros que facilitaban sus desplazamientos hacia y desde los niveles de trabajo subterráneos, para izar materiales dentro y fuera de la mina y para alimentar la maquinaria de trituración de mineral en el yacimiento . ^{[ 1 ]}

Cornualles contaba desde hacía mucho tiempo con minas de estaño , cobre y otros metales, pero si se pretendía extraer minerales a mayor profundidad, se necesitaría un sistema para drenar la mina. Elevar el agua desde las profundidades requiere un gran esfuerzo . Esta energía puede suministrarse débilmente mediante la fuerza de los caballos o una rueda hidráulica para accionar las bombas, pero los caballos tienen una fuerza limitada y las ruedas hidráulicas necesitan un caudal adecuado. Por consiguiente, la innovación de la energía de vapor generada con carbón para accionar las bombas resultó más versátil y eficaz para la industria minera que los métodos primitivos.

La mina Wheal Vor contaba con uno de los primeros motores Newcomen (motores de condensación en cilindro, que utilizaban presión subatmosférica) antes de 1714, pero Cornualles no tenía yacimientos de carbón y el carbón importado del sur de Gales era caro. Por lo tanto, el coste del combustible para el bombeo representaba una parte significativa de los costes de la minería. Posteriormente, Boulton y Watt instalaron en Cornualles muchos de los primeros motores Watt , más eficientes (que utilizaban un condensador externo) . Cobraban a los propietarios de las minas una regalía basada en un porcentaje del ahorro de combustible. La eficiencia de combustible de un motor se medía por su "funcionamiento", expresado en el trabajo (en libras-pie ) generado por un bushel ( 94 libras (43 kg) ) de carbón. Los primeros motores Watt tenían un funcionamiento de 20 millones, y los posteriores superaban los 30 millones. ^{[ 2 ]} 

La principal ventaja de la máquina de Cornualles era su mayor eficiencia, lograda mediante un uso más económico del vapor a alta presión. En aquel entonces, las mejoras en la eficiencia eran importantes en Cornualles debido al alto costo del carbón; no hay yacimientos de carbón en Cornualles y todo el carbón utilizado tenía que ser traído de fuera del condado, generalmente de Gales. ^{[ 2 ] : 3}

Aumentar la presión de la caldera por encima de la presión prácticamente atmosférica del vapor utilizado por James Watt fue un elemento esencial para la mejora de la eficiencia del motor Cornish. Simplemente aumentar la presión de la caldera habría hecho que el motor fuera más potente sin aumentar su eficiencia. El avance clave consistió en permitir que el vapor se expandiera en el cilindro. Si bien James Watt había concebido la idea de permitir la expansión del vapor —y la incluyó en su patente de 1782—, se dio cuenta de que la baja presión del vapor en su aplicación hacía que la mejora de la eficiencia fuera insignificante, por lo que no la desarrolló.

En una máquina Watt, el vapor se admite durante toda la carrera de potencia del pistón. Al final de la carrera, el vapor se expulsa y la energía restante se disipa en el condensador, donde se enfría y se convierte de nuevo en agua. ^{[ 3 ]}

En un motor Cornish, por el contrario, la válvula de admisión se cierra a mitad de la carrera de potencia, lo que permite que el vapor en el cilindro se expanda durante el resto de la carrera hasta alcanzar una presión menor. Esto da como resultado una mayor captura de su energía y una menor pérdida de calor hacia el condensador, en comparación con un motor Watt.

Otras características incluyen el aislamiento de las líneas de vapor y del cilindro, y el revestimiento de vapor del cilindro, ambos utilizados previamente por Watt. ^{[ 4 ]}

Pocas máquinas de Cornualles permanecen en sus ubicaciones originales, ya que la mayoría fueron desguazadas cuando cerró la empresa industrial a la que pertenecían. ^{[ 1 ]}

El motor Cornish desarrollaba una potencia irregular a lo largo del ciclo, deteniéndose por completo en un punto mientras tenía un movimiento rápido en la carrera descendente, lo que lo hacía inadecuado para el movimiento rotatorio y la mayoría de las aplicaciones industriales. ^{[ 4 ]} Esto también requiere un mecanismo de válvulas inusual , véase Mecanismo de válvulas del motor Cornish .

Ciclo

El ciclo córnico funciona de la siguiente manera. ^{[ 5 ]}

Partiendo de una condición durante el funcionamiento con el pistón en la parte superior del cilindro, el cilindro debajo del pistón lleno de vapor de la carrera anterior, la caldera a presión normal de trabajo y el condensador al vacío normal de trabajo,

1. Se abren las válvulas de entrada de vapor a presión y de escape de vapor a baja presión. El vapor a presión procedente de la caldera entra en la parte superior del cilindro, por encima del pistón, empujándolo hacia abajo, mientras que el vapor situado debajo del pistón es aspirado hacia el condensador, creando un vacío bajo el pistón. La diferencia de presión entre el vapor a presión de caldera situado por encima del pistón y el vacío situado debajo de este impulsa el pistón hacia abajo.
2. A mitad del recorrido, la válvula de entrada de vapor a presión se cierra. El vapor situado sobre el pistón se expande durante el resto del recorrido, mientras que el vapor a baja presión situado en la parte inferior del pistón sigue siendo aspirado hacia el condensador, manteniendo así el vacío parcial en esa zona del cilindro.
3. En el punto más bajo de la carrera, la válvula de escape al condensador se cierra y la válvula de equilibrio se abre. El peso del equipo de bombeo en la mina, transmitido por la viga móvil, eleva el pistón, y a medida que este asciende, el vapor se transfiere a través del tubo de equilibrio desde la parte superior del pistón hasta la parte inferior del cilindro, debajo del pistón.
4. Cuando el pistón llega a la parte superior del cilindro, el ciclo está listo para repetirse.

La siguiente carrera puede ocurrir inmediatamente, o puede retrasarse mediante un dispositivo de sincronización como una catarata , si no era necesario que el motor funcionara a su velocidad máxima, reduciendo la velocidad de funcionamiento se ahorró combustible.

El motor es de simple efecto , y el pistón de vapor es impulsado hacia arriba por el peso del pistón de la bomba y las varillas. El vapor puede suministrarse a una presión de hasta 50 libras por pulgada cuadrada (340 kPa) . 

Fotografías reales que muestran los componentes del diseño esquemático ( Máquina Harvey, pozo de colada de la mina East Pool ):

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  calderas de vapor
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  Cilindro de vapor principal (A)
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  Cilindros de vapor de control (GH)
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  Palanca de la bomba (D)
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  Sala de máquinas y pistón de la bomba (E)
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  Bloque de sacrificio en la sala de máquinas de la mina Taylor's Shaft East Pool.

El motor de Cornualles dependía del uso de vapor a presión superior a la atmosférica, tal como lo ideó Richard Trevithick en el siglo XIX. Sus primeros motores de soplado descargaban vapor a la atmósfera. Esto difería del motor de vapor de Watt, que trasladaba el vapor condensado del cilindro a un condensador separado del mismo; por lo tanto, el motor de Watt dependía de la creación de un vacío cuando el vapor se condensaba. Los motores posteriores de Trevithick (en la década de 1810) combinaron ambos principios, comenzando con vapor a alta presión que luego se pasaba al otro lado del pistón, donde se condensaba y allí actuaba como un motor de presión subatmosférica. En un desarrollo paralelo, Arthur Woolf desarrolló el motor de vapor compuesto , en el que el vapor se expandía sucesivamente en dos cilindros, cada uno de los cuales estaba a presiones superiores a la atmosférica. ^{[ 2 ]}

Cuando Trevithick partió hacia Sudamérica en 1816, cedió los derechos de patente de su último invento al ingeniero William Sims , quien construyó o adaptó varios motores, incluyendo uno en Wheal Chance que operaba a 40 libras por pulgada cuadrada (280 kPa) por encima de la presión atmosférica , el cual alcanzó un rendimiento de casi 50 millones, pero su eficiencia luego disminuyó. En 1825 se realizó una prueba entre un motor monocilíndrico tipo Trevithick y un motor compuesto Woolf en Wheal Alfred, donde ambos alcanzaron un rendimiento ligeramente superior a los 40 millones. ^{[ 6 ]} 

La siguiente mejora la logró Samuel Grose a finales de la década de 1820, al reducir la pérdida de calor aislando las tuberías, los cilindros y las calderas de las máquinas, lo que aumentó la producción a más de 60 millones en Wheal Hope y, posteriormente, a casi 80 millones en Wheal Towan . Sin embargo, esta producción óptima solía ser efímera debido al deterioro general de la maquinaria, las fugas en las calderas y el deterioro de las placas de las calderas (lo que obligaba a reducir la presión). ^{[ 6 ]}

Pequeñas mejoras aumentaron ligeramente la potencia, pero el motor parece haber alcanzado sus límites prácticos a mediados de la década de 1840. Con presiones de hasta 50 libras por pulgada cuadrada (340 kPa) , es probable que las fuerzas provocaran roturas en la maquinaria. Las mismas mejoras en la potencia se produjeron en los motores que accionaban los molinos de Cornualles y los molinos de viento , pero generalmente llegaron un poco más tarde. En ambos casos, la potencia óptima era menor que la de los motores de bombeo, especialmente en los molinos de viento, cuyo funcionamiento era discontinuo. ^{[ 2 ]} 

El impulso para la mejora de la máquina de vapor provino de Cornualles debido al alto precio del carbón en la región, pero tanto los costos de capital como los de mantenimiento eran superiores a los de una máquina de vapor Watt. Esto retrasó considerablemente la instalación de máquinas de Cornualles fuera de Cornualles. En 1838, Thomas Wicksteed instaló una máquina de Cornualles de segunda mano en la planta de tratamiento de agua de Old Ford, perteneciente a la compañía East London Waterworks , y la comparó con una máquina Watt con resultados favorables, ya que el precio del carbón en Londres era incluso más alto que en Cornualles. ^{[ 7 ]} Las máquinas de Cornualles se generalizaron para el suministro de agua en todo el mundo. En las principales zonas de fabricación textil, como Manchester y Leeds , el precio del carbón era demasiado bajo para que su reemplazo resultara rentable. No fue hasta finales de la década de 1830 cuando los fabricantes textiles comenzaron a adoptar máquinas de alta presión, generalmente mediante la adición de un cilindro de alta presión, formando así una máquina compuesta, en lugar de seguir la práctica habitual de Cornualles. ^{[ 2 ]}

Varias máquinas de vapor de Cornualles se conservan en Inglaterra. El Museo del Agua y el Vapor de Londres posee la mayor colección de máquinas de vapor de Cornualles del mundo. En la estación de bombeo de Crofton , en Wiltshire , hay dos máquinas de vapor de Cornualles, una de las cuales (la Boulton y Watt de 1812 ) es la "máquina de vapor de balancín en funcionamiento más antigua del mundo que aún se encuentra en su casa de máquinas original y es capaz de realizar el trabajo para el que fue instalada", que es bombear agua al embalse superior del canal Kennet y Avon . ^{[ 8 ]} Dos ejemplos también sobreviven en el museo de Minas y Máquinas de Cornualles en el sitio de la mina East Pool cerca de la ciudad de Pool, Cornualles .

Otro ejemplo se encuentra en la mina Poldark en Trenear, Cornualles: una máquina de vapor Harvey of Hayle Cornish Beam Engine de alrededor de 1840-1850, empleada originalmente en la mina de estaño Bunny y posteriormente en la cantera de caolín Greensplat, ambas cerca de St Austell. Ya no funciona como máquina de vapor, sino que se mueve mediante un mecanismo hidráulico. En funcionamiento en Greensplat hasta 1959, es la última máquina de vapor Cornish que operó comercialmente en Cornualles. Fue trasladada a Poldark en 1972. ^{[ 9 ]}

La estación de bombeo de Cruquius, en los Países Bajos, alberga una máquina de Cornualles con el cilindro de mayor diámetro jamás construido para este tipo de máquina, de 3,5 metros (140 pulgadas) de diámetro. La máquina, construida por Harvey & Co. en Hayle , Cornualles, tiene ocho vigas conectadas al cilindro , cada una de las cuales acciona una bomba. ^{[ 10 ]} La máquina fue restaurada y puesta en funcionamiento entre 1985 y 2000, aunque actualmente funciona con un sistema hidráulico lleno de aceite, ya que no era viable restaurarla al funcionamiento con vapor. ^{[ 11 ]}

El par de máquinas de 1879 conservadas en la estación de bombeo de Dalton en el condado de Durham fueron las únicas máquinas de Cornualles diseñadas para funcionar con vapor sobrecalentado . ^{[ 12 ]} Una de las últimas máquinas de Cornualles que se construyeron se instaló en la cantera de pizarra de Dorothea en 1904, donde permanece dentro de su sala de máquinas. ^{[ 13 ]}

El Comité de Preservación de Máquinas de Cornualles , una de las primeras organizaciones de arqueología industrial , se formó en 1935 para preservar la máquina de extracción Levant . Posteriormente, el comité pasó a llamarse Richard Trevithick . Adquirieron otra máquina de extracción y dos máquinas de bombeo. ^{[ 14 ]} Publican un boletín informativo, una revista y numerosos libros sobre máquinas de Cornualles, la industria minera, ingenieros y otros temas de arqueología industrial. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

• Motor de haz
• La minería en Cornualles y Devon
• Máquina de vapor estacionaria
• Reportero de motores de Lean
• Catarata (motor de haz)

• Animación de la máquina de haces de Cornualles
• Estación de bombeo de Cruquius (incluye detalles mecánicos, simulaciones, dibujos técnicos, etc.)
• Historia y contexto de los motores de Cornualles
• "El ciclo de Cornualles" en YouTube