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 ]}

El nuevo diseño se introdujo comercialmente en 1776, y el primer ejemplar se vendió a la fundición de hierro Carron Company , cerca de Falkirk , en Escocia. Casi al mismo tiempo, Watt se topó con un problema comercial que lo llevó a introducir una nueva unidad de medida de potencia, o la tasa a la que se realiza el trabajo: el caballo de fuerza . Sus acuerdos comerciales anteriores basaban sus ganancias en la cantidad de carbón que el cliente de la máquina de vapor ahorraba, pero al hablar de la instalación de una máquina de vapor para una cervecera londinense, esa empresa no utilizaba carbón, sino caballos para accionar los molinos. ^{[ 4 ]}

Watt continuó trabajando para mejorar el motor y, en 1781, introdujo un sistema que utilizaba un engranaje solar y planetario para transformar el movimiento lineal de los motores en movimiento rotatorio. Esto lo hizo útil no solo para su función original de bombeo, sino también como sustituto directo en tareas donde antes se utilizaba una rueda hidráulica . Este fue un momento clave en la revolución industrial, ya que ahora las fuentes de energía podían ubicarse en cualquier lugar, en lugar de, como antes, necesitar una fuente de agua y una topografía adecuadas . El socio de Watt, Matthew Boulton, comenzó a desarrollar multitud de máquinas que aprovechaban esta energía rotatoria, creando la primera fábrica industrializada moderna, la Soho Foundry , que a su vez produjo nuevos diseños de máquinas de vapor.

Los primeros motores de Watt eran como los diseños originales de Newcomen en que usaban vapor a baja presión, y toda la potencia se producía por la presión atmosférica. Cuando otras compañías introdujeron motores de vapor de alta presión a principios del siglo XIX, Watt se mostró reacio a hacer lo mismo debido a preocupaciones de seguridad. ^{[ 5 ]} Queriendo mejorar el rendimiento de sus motores, Watt comenzó a considerar el uso de vapor a mayor presión, así como diseños que usaban múltiples cilindros tanto en el concepto de doble efecto como en el concepto de expansión múltiple. Estos motores de doble efecto requirieron la invención del movimiento paralelo , que permitía que las bielas de los cilindros individuales se movieran en línea recta, manteniendo el pistón alineado dentro del cilindro, mientras que el extremo de la viga oscilante se movía a través de un arco, algo análogo a una cruceta en los motores de vapor posteriores.

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 con el diámetro preciso 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.

En 1775, Watt diseñó dos grandes máquinas: una para la mina de carbón de Bloomfield en Tipton , terminada en marzo de 1776, y otra para la fundición de hierro de John Wilkinson en Broseley , Shropshire , que entró en funcionamiento al mes siguiente. Una tercera máquina, en Stratford-le-Bow, al este de Londres, también estuvo en funcionamiento ese verano. ^{[ 13 ]}

Boulton escribió en 1776 que "el Sr. Wilkinson nos ha perforado varios cilindros casi sin error; el de 50 pulgadas de diámetro, que hemos instalado en Tipton, no tiene ningún error en el grosor de un antiguo chelín en ninguna parte". ^{[ 12 ]}

El negocio de Boulton y Watt consistía en ayudar a los propietarios de minas y otros clientes a construir máquinas, suministrando mano de obra para su montaje y algunas piezas especializadas. El hardware principal provenía de otros proveedores, especialmente de John Wilkinson, quien tenía un contrato casi exclusivo para suministrar los cilindros durante los siguientes 20 años. Sin embargo, su principal beneficio derivado de la patente provenía del cobro de una tarifa de licencia a los propietarios de las máquinas, basada en el costo del combustible que ahorraban (en la mayoría de los casos, estaban reemplazando máquinas Newcomen). La mayor eficiencia de combustible de sus máquinas las hacía más atractivas en áreas donde el combustible era caro, particularmente en Cornualles , para donde se encargaron tres máquinas en 1777, para las minas Wheal Busy , Ting Tang y Chacewater . ^{[ 14 ]} Cuando había una nueva instalación, negociaban los precios en función del tamaño y el uso de la máquina, y alrededor de 1784 Watt introdujo el concepto de caballo de fuerza (HP) de una máquina y cobró £ 5 por HP por año durante la vigencia de la patente.

Los primeros motores Watt eran motores de presión atmosférica, como el motor Newcomen, pero con la condensación ocurriendo separada del cilindro. Watt se oponía al uso de vapor a alta presión (por ejemplo, 2 atmósferas), y fueron otros, como Richard Trevithick a finales de la década de 1790, quienes lo desarrollaron, en parte porque el uso expansivo de vapor sin un condensador eludía la patente de Watt. El accionamiento de los motores mediante vapor a baja presión y vacío parcial abrió la posibilidad del desarrollo de motores alternativos . ^{[ 15 ]} Un sistema de válvulas podía admitir alternativamente vapor a baja presión al cilindro y luego conectarlo con el condensador. En consecuencia, se podía invertir la dirección de la carrera de potencia, facilitando la obtención de movimiento rotatorio. Otras ventajas del motor de doble efecto eran una mayor eficiencia, mayor velocidad (mayor potencia) y un movimiento más regular.

Antes del desarrollo del pistón de doble efecto, la conexión entre la viga y el vástago del pistón se realizaba mediante una cadena, lo que significaba que la fuerza solo podía aplicarse en una dirección, tirando. Esto era eficaz en motores utilizados para bombear agua, pero la doble acción del pistón implicaba que podía empujar además de tirar. Esto no era posible mientras la viga y el vástago estuvieran conectados por una cadena. Además, no era posible conectar el vástago del pistón del cilindro sellado directamente a la viga, ya que mientras el vástago se movía verticalmente en línea recta, la viga pivotaba sobre su centro, describiendo cada lado un arco. Para superar las acciones opuestas de la viga y el pistón, Watt desarrolló su mecanismo de movimiento paralelo . Este dispositivo utilizaba un mecanismo de cuatro barras acoplado a un pantógrafo para producir el movimiento rectilíneo requerido de forma mucho más económica que si hubiera utilizado un mecanismo de corredera. Estaba muy orgulloso de su solución.

El hecho de que la viga estuviera conectada al eje del pistón mediante un mecanismo que aplicaba fuerza alternativamente en ambas direcciones también significaba que era posible utilizar el movimiento de la viga para hacer girar una rueda. La solución más sencilla para transformar la acción de la viga en un movimiento rotatorio era conectar la viga a una rueda mediante una manivela , pero como otra parte tenía derechos de patente sobre el uso de la manivela, Watt se vio obligado a idear otra solución. ^{[ 17 ]} Adoptó el sistema de engranajes epicíclicos de sol y planeta sugerido por un empleado, William Murdoch , volviendo posteriormente, una vez expirados los derechos de patente, a la manivela más familiar que se ve en la mayoría de los motores actuales. ^{[ 18 ]} La rueda principal unida a la manivela era grande y pesada, y servía como volante de inercia que, una vez en movimiento, por su inercia mantenía una potencia constante y suavizaba la acción de las carreras alternas. A su eje central giratorio se le podían acoplar correas y engranajes para accionar una gran variedad de maquinaria.

Debido a que la maquinaria de la fábrica necesitaba funcionar a velocidad constante, Watt conectó una válvula reguladora de vapor a un regulador centrífugo que adaptó de los utilizados para controlar automáticamente la velocidad de los molinos de viento. ^{[ 19 ]} El regulador centrífugo no era un verdadero controlador de velocidad porque no podía mantener una velocidad fija en respuesta a un cambio de carga. ^{[ 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
• Máquina de vapor Corliss
• Motor térmico
• Termodinámica
• Máquinas de vapor conservadas
• 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