Cómo hacer una máquina de vapor. La historia de la creación de la máquina de vapor y su aplicación Máquina de vapor

Industria Inglaterra necesitaba mucho combustible y el bosque se estaba haciendo más pequeño. En este sentido, la extracción de carbón ha cobrado una gran relevancia.
El principal problema de la minería era el agua, inundaba las minas más rápido de lo que tenían tiempo de bombearla, tenían que abandonar las minas desarrolladas y buscar otras nuevas.
Por estas razones, se necesitaban urgentemente mecanismos para bombear agua, por lo que las primeras máquinas de vapor se convirtieron en ellos.

La siguiente etapa en el desarrollo de las máquinas de vapor fue la creación (en 1690) máquina de vapor de pistón, que hizo trabajo útil por calentamiento y condensación de vapor.

Nacido en la ciudad francesa de Blois en 1647. En la Universidad de Angers, estudió medicina y se doctoró, pero no llegó a ser médico. En muchos sentidos, su destino estaba predeterminado por una reunión con el físico holandés H. Huygens, bajo cuya influencia Papen comenzó a estudiar física y mecánica. En 1688, publicó una descripción (con sus adiciones constructivas) de un proyecto de un motor de pólvora en forma de cilindro con pistón presentado por Huygens a la Academia de Ciencias de París.
Papin también propuso el diseño de una bomba centrífuga, diseñó un horno para fundir vidrio, un vagón de vapor y un submarino, inventó una olla a presión y varias máquinas para levantar agua.

La primera olla a presión del mundo:

En 1685, Papin se vio obligado a huir de Francia (debido a la persecución de los hugonotes) a Alemania y continuó trabajando en su máquina allí.
En 1704, en la fábrica de Veckerhagen, fundió el primer cilindro del mundo para máquina de vapor y en el mismo año construyó un barco a vapor.

La primera "máquina" de Denis Papin (1690)

El agua en el cilindro, cuando se calentó, se convirtió en vapor y movió el pistón hacia arriba, y cuando se enfrió (el vapor se condensó), se creó un vacío y atmosférico la presión empuja el pistón hacia abajo.

Para que la máquina funcionara, era necesario manipular el vástago y el tapón de la válvula, mover la fuente de llama y enfriar el cilindro con agua.

En 1705 Papin desarrolló un segundo máquina de vapor

Cuando se abrió el grifo (D), el vapor de la caldera (a la derecha) se precipitó hacia el tanque central y, por medio del pistón, forzó el agua hacia el tanque de la izquierda. Después de eso, se cerró la válvula (D), se abrieron las válvulas (G) y (L), se agregó agua al embudo y se llenó el recipiente del medio con una nueva porción, las válvulas (G) y (L) se se cerró y se repitió el ciclo. Por lo tanto, fue posible elevar el agua a una altura.

En 1707, Papin llegó a Londres para solicitar una patente para su obra de 1690. Las obras no fueron reconocidas, ya que para ese momento ya habían aparecido las máquinas de Thomas Savery y Thomas Newcomen (ver más abajo).

En 1712, Denis Papin murió en la indigencia y fue enterrado en una tumba sin nombre.

Las primeras máquinas de vapor eran voluminosas bombas estacionarias para bombear agua. Esto se debió al hecho de que era necesario bombear agua de las minas y minas de carbón. Cuanto más profundas eran las minas, más difícil era bombear el agua restante de ellas, como resultado, las minas que no habían sido explotadas tenían que ser abandonadas y trasladadas a un nuevo lugar.

en 1699, un ingeniero inglés, recibió una patente para la invención de un "camión de bomberos" diseñado para bombear agua de las minas.
La máquina de Severi es una bomba de vapor, no un motor, no tenía cilindro con pistón.

Lo más destacado de la máquina de Severi era que se generaba vapor en caldera separada.

referencia

Coche de Thomas Savery

Cuando se abrió el grifo 5, el vapor de la caldera 2 se suministró al recipiente 1, expulsando agua de allí a través del tubo 6. Al mismo tiempo, la válvula 10 estaba abierta y la válvula 11 estaba cerrada. Al final de la inyección, se cerró la válvula 5 y se suministró agua fría al recipiente 1 a través de la válvula 9. El vapor en el recipiente 1 se enfrió, se condensó y la presión cayó, absorbiendo agua a través del tubo 12. La válvula 11 se abrió y la válvula 10 se cerró.

La bomba de Severi no tenía suficiente potencia, consumía mucho combustible y funcionaba de manera intermitente. Por estas razones, la máquina de Severi no se usó mucho y fue reemplazada por "máquinas de vapor alternativas".

en 1705 combinando las ideas de Severi (una caldera independiente) y Papin (cilindro con pistón) construyó bomba de vapor de pistón para trabajar en las minas.
Los experimentos para mejorar la máquina duraron unos diez años, hasta que empezó a funcionar correctamente.

Acerca de Thomas Newcomen

Nacido el 28 de febrero de 1663 en Dartmouth. Herrero de profesión. En 1705, junto con el calderero J. Cowley, construyó una bomba de vapor. Esta máquina atmosférica de vapor, bastante eficaz para su época, se utilizó para bombear agua en las minas y se generalizó en el siglo XVIII. Esta tecnología es utilizada actualmente por bombas de hormigón en obras de construcción.
Newcomen no pudo obtener una patente, ya que el elevador de agua a vapor fue patentado en 1699 por T. Severi. La máquina de vapor de Newcomen no era un motor universal y solo podía funcionar como una bomba. Los intentos de Newcomen de usar el movimiento alternativo de un pistón para hacer girar una rueda de paletas en los barcos no tuvieron éxito.

Murió el 7 de agosto de 1729 en Londres. El nombre de Newcomen es la "Sociedad de Historiadores Británicos de la Tecnología".

El coche de Thomas Newcomen

Primero, el vapor levantó el pistón, luego se inyectó un poco de agua fría en el cilindro, el vapor se condensó (formando así un vacío en el cilindro) y el pistón cayó bajo la influencia de la presión atmosférica.

A diferencia del "cilindro de Papin" (en el que el cilindro servía de caldera), en la máquina de Newcomen el cilindro estaba separado de la caldera. Así era posible lograr un trabajo más o menos uniforme.
En las primeras versiones de la máquina, las válvulas se controlaban manualmente, pero más tarde Newcomen ideó un mecanismo que abre y cierra automáticamente los grifos correspondientes en el momento adecuado.

Una fotografía

Acerca de los cilindros

Los primeros cilindros de la máquina Newcomen estaban hechos de cobre, los tubos estaban hechos de plomo y el balancín estaba hecho de madera. Las piezas pequeñas estaban hechas de hierro maleable. Las máquinas posteriores de Newcomen, posteriores a 1718, tenían un cilindro de hierro fundido.
Los cilindros se fabricaron en la fundición de Abraham Derby en Colbrookdale. Darby mejoró la técnica de fundición y esto hizo posible obtener suficientes cilindros buena calidad. Para obtener una superficie más o menos regular y lisa de las paredes de los cilindros, se utilizaba una máquina para taladrar la boca de los cañones.

Algo como esto:

Con algunas modificaciones, las máquinas de Newcomen siguieron siendo las únicas máquinas aptas para uso industrial durante 50 años.

en 1720 Describió una máquina de vapor de dos cilindros. La invención fue publicada en su obra principal "Theatri Machinarum Hydraulicarum". Este manuscrito fue el primer análisis sistemático de la ingeniería mecánica.

Máquina propuesta por Jacob Leopold

Se suponía que los pistones, hechos de plomo, serían elevados por la presión del vapor y bajados por su propio peso. La idea de una grúa (entre los cilindros) es curiosa, con su ayuda se admitía vapor en un cilindro y se liberaba simultáneamente del otro.
Jacob no construyó este auto, solo lo diseñó.

en 1766 El inventor ruso, que trabajaba como mecánico en las plantas metalúrgicas y mineras de Altai, creó la primera máquina de vapor de dos cilindros en Rusia y la primera en el mundo.
Polzunov mejoró la máquina de Newcomen (utilizó dos cilindros en lugar de uno para garantizar un funcionamiento continuo) y propuso usarla para poner en movimiento los fuelles de los hornos de fundición.

triste ayuda

En Rusia en ese momento, las máquinas de vapor prácticamente no se usaban, y Polzunov recibió toda la información del libro "Instrucción detallada para la minería" (1760) escrito por I.A. Schlatter, que describía la máquina de vapor Newcomen.

El proyecto fue informado a la emperatriz Catalina II. Ella lo aprobó, ordenó que I. I. Polzunov fuera ascendido a "mecánico con el rango y rango de ingeniero capitán-teniente" y recompensado con 400 rublos ...
Polzunov propuso construir primero una pequeña máquina, en la que sería posible identificar y eliminar todas las deficiencias inevitables en la nueva invención. Las autoridades de la fábrica no estuvieron de acuerdo con esto y decidieron construir de inmediato una máquina enorme. En abril de 1764, Polzunov comenzó la construcción.
En la primavera de 1766, la construcción se completó en su mayor parte y se llevaron a cabo pruebas.
Pero el 27 de mayo, Polzunov murió de tisis.
Solo sus alumnos Levzin y Chernitsyn comenzaron las últimas pruebas de la máquina de vapor. En la “Nota de Día” fechada el 4 de julio se anota “correcto funcionamiento del motor”, y el 7 de agosto de 1766 se pone en funcionamiento toda la instalación, máquina de vapor y potente soplante. En solo tres meses de trabajo, la máquina de Polzunov no solo justificó todos los costos de su construcción por un monto de 7233 rublos 55 kopeks, sino que también dio una ganancia neta de 12640 rublos 28 kopeks. Sin embargo, el 10 de noviembre de 1766, después de que se quemara la caldera de la máquina, permaneció inactiva durante 15 años, 5 meses y 10 días. En 1782 el coche fue desmantelado.

(Enciclopedia Territorio de Altai. Barnaúl. 1996. V. 2. S. 281-282; Barnaúl. Crónica de la ciudad. Barnaúl. 1994, parte 1, página 30).

El coche de Polzunov

El principio de funcionamiento es similar a la máquina de Newcomen.
Se inyectó agua en uno de los cilindros llenos de vapor, el vapor se condensó y se creó un vacío en el cilindro, bajo la influencia de la presión atmosférica el pistón bajó, en el mismo momento entró vapor en el otro cilindro y este subió.

El suministro de agua y vapor a los cilindros estaba totalmente automatizado.

Modelo de la máquina de vapor I.I. Polzunov, realizado según los dibujos originales en la década de 1820.
Museo Regional de Barnaul.

En 1765 a James Watt trabajando como mecánico en la Universidad de Glasgow, recibió el encargo de reparar una maqueta de la máquina de Newcomen. No se sabe quién lo hizo, pero llevaba varios años en la universidad.
El profesor John Anderson sugirió que Watt viera si se podía hacer algo con este dispositivo curioso pero caprichoso.
Watt no solo reparó, sino que también mejoró la máquina. Le agregó un recipiente separado para enfriar el vapor y lo llamó condensador.

Modelo de máquina de vapor Newcomen

El modelo estaba equipado con un cilindro (5 cm de diámetro) con una carrera de trabajo de 15 cm Watt realizó una serie de experimentos, en particular, reemplazó el cilindro de metal por uno de madera, lubricado con aceite de linaza y secado en un horno, redujo la cantidad de agua recaudada en un ciclo y el modelo comenzó a funcionar.
Durante los experimentos, Watt se convenció de la ineficiencia de la máquina.
Con cada nuevo ciclo, parte de la energía del vapor se gastaba en calentar el cilindro, que se enfriaba después de inyectar agua para enfriar el vapor.
Después de una serie de experimentos, Watt llegó a la siguiente conclusión:
“... Para hacer una máquina de vapor perfecta, es necesario que el cilindro esté siempre caliente, al igual que el vapor que entra en él; pero por otro lado, la condensación del vapor para formar un vacío tenía que ocurrir a una temperatura no superior a los 30 grados Réaumur” (38 Celsius)…

Modelo de la máquina de Newcomen con la que Watt experimentó

Cómo todo empezó...

Por primera vez, Watt se interesó en el vapor en 1759, esto fue facilitado por su amigo Robison, quien luego se apresuró con la idea de "usar el poder de una máquina de vapor para poner los vagones en movimiento".
En el mismo año, Robison fue a pelear en América del Norte y Watt se sintió abrumado sin él.
Dos años más tarde, Watt volvió a la idea de las máquinas de vapor.

“Alrededor de 1761-1762”, escribe Watt, “realicé algunos experimentos sobre el poder del vapor en un caldero de Papen e hice algo parecido a una máquina de vapor, fijándole una jeringa, de aproximadamente 1/8 de pulgada de diámetro, con un fuerte pistón. , equipado con una válvula de entrada de vapor de la caldera, así como para liberarlo de la jeringa al aire. Cuando se abrió el grifo de la caldera al cilindro, el vapor, al entrar en el cilindro y actuar sobre el pistón, levantó una carga importante (15 libras) con la que estaba cargado el pistón. Cuando la carga se elevó a la altura deseada, se cerró la comunicación con la caldera y se abrió una válvula para liberar vapor a la atmósfera. El vapor salió y el peso bajó. Esta operación se repitió varias veces, y aunque en este dispositivo el grifo se giraba a mano, sin embargo, no fue difícil idear un dispositivo para girarlo automáticamente.

A - cilindro; B - pistón; C - una barra con un gancho para colgar una carga; D - cilindro exterior (carcasa); E y G - entradas de vapor; F - tubo que conecta el cilindro al condensador; K - condensador; P - bomba; R - depósito; V - válvula para la salida de aire desplazado por vapor; K, P, R - llenos de agua. El vapor entra a través de G en el espacio entre A y D y a través de E en el cilindro A. Con un ligero ascenso del pistón en el cilindro de la bomba P (el pistón no se muestra en la figura), el nivel del agua en K cae y el vapor de A pasa en K y luego precipita. En A se obtiene un vacío, y el vapor situado entre A y D presiona sobre el pistón B y lo eleva junto con la carga suspendida de él.

La idea básica que distinguió la máquina de Watt de la máquina de Newcomen fue la cámara de condensación aislada (enfriando el vapor).

Imagen visual:

En la máquina de Watt, el condensador "C" estaba separado del cilindro de trabajo "P", no necesitaba calentarse y enfriarse constantemente, gracias a lo cual fue posible aumentar ligeramente la eficiencia.

En 1769-1770, en la mina del minero John Roebuck (Roebuck estaba interesado en las máquinas de vapor y financió a Watt por un tiempo), se construyó un modelo grande de la máquina de Watt, por el cual recibió su primera patente en 1769.

La esencia de la patente.

Watt definió su invento como "un nuevo método para reducir el consumo de vapor, y por lo tanto de combustible, en los camiones de bomberos".
La patente (nº 013) esbozaba una serie de novedades técnicas. posiciones utilizadas por Watt en su motor:
1) Mantener la temperatura de las paredes del cilindro igual a la temperatura del vapor que ingresa debido al aislamiento térmico, camisa de vapor
y falta de contacto con cuerpos fríos.
2) Condensación de vapor en un recipiente separado: un condensador, cuya temperatura debía mantenerse al nivel ambiente.
3) Eliminación de aire y otros no condensables del condensador mediante bombas.
4) Aplicación de presión de vapor excesiva; en los casos de falta de agua para la condensación de vapor, el uso de sólo exceso de presión con escape a la atmósfera.
5) El uso de máquinas "rotativas" con un pistón giratorio unidireccional.
6) Funcionamiento con condensación parcial (es decir, con vacío reducido). El mismo párrafo de la patente describe el diseño del sello del pistón y sus partes individuales. A las presiones de vapor de 1 atm utilizadas en ese momento, la introducción de un condensador separado y el bombeo de aire del mismo significaba una posibilidad real de reducir el consumo de vapor y combustible a más de la mitad.

Después de un tiempo, Roebuck quebró y el industrial inglés Matthew Bolton se convirtió en el nuevo socio de Watt.
Después de la liquidación del acuerdo de Watt con Roebuck, el automóvil construido fue desmantelado y enviado a la planta de Bolton en Soho. En él, Watt probó durante mucho tiempo casi todas sus mejoras e inventos.

Sobre Matthew Bolton

Si Roebuck vio en la máquina de Watt, en primer lugar, solo una bomba mejorada, que se suponía que salvaría sus minas de inundaciones, entonces Bolton vio en las invenciones de Watt un nuevo tipo de motor que se suponía que reemplazaría la rueda hidráulica.
El propio Bolton intentó realizar mejoras en el automóvil de Newcomen para reducir el consumo de combustible. Hizo un modelo que deleitó a numerosos amigos y mecenas de la alta sociedad londinense. Bolton mantuvo correspondencia con el científico y diplomático estadounidense Benjamin Franklin sobre la mejor manera de inyectar agua de refrigeración en el cilindro, sobre mejor sistema válvulas Franklin no pudo aconsejar nada sensato en esta área, pero llamó la atención sobre otra forma de lograr el ahorro de combustible, para quemarlo mejor y eliminar el humo.
Bolton soñaba con nada menos que un monopolio mundial en la producción de autos nuevos. “Mi idea era”, le escribió Bolton a Watt, “arreglar, al lado de mi fábrica, una empresa donde concentraría todos los medios técnicos necesarios para la construcción de máquinas, y desde donde abasteceríamos al mundo entero con máquinas de cualquier tipo. Talla."

Bolton era claramente consciente de los requisitos previos para esto. Carro nuevo no se puede construir en las viejas formas artesanales. “Supuse”, le escribió a Watt, “que su máquina requerirá dinero, un trabajo muy preciso y extensas conexiones para ponerla en circulación de la manera más rentable. La mejor manera de mantener su reputación y hacer justicia a la invención es quitar su producción de las manos de muchos técnicos que, por su ignorancia, falta de experiencia y medios técnicos, harían un mal trabajo, y esto afectaría la reputación. de la invención
Para evitar esto, propuso construir una planta especial, donde "con su ayuda, podríamos atraer y capacitar a un cierto número de excelentes trabajadores que, equipados con la mejor herramienta, podría haber hecho este invento un veinte por ciento más barato, y con una diferencia de mano de obra tan grande como la que existe entre el trabajo de un herrero y el de un maestro de instrumentos matemáticos".
Un cuadro de trabajadores altamente calificados, nuevos equipos técnicos: eso era lo que se requería para construir una máquina a gran escala. Bolton ya estaba pensando en términos y conceptos del capitalismo avanzado del siglo XIX. Pero por ahora, seguía siendo un sueño. No Bolton y Watt, sino sus hijos, treinta años después, se organizó la producción en masa de máquinas: la primera planta de construcción de máquinas.

Bolton y Watt hablan sobre la producción de máquinas de vapor en la planta de Soho

La siguiente etapa en el desarrollo de las máquinas de vapor fue el sellado de la parte superior del cilindro y el suministro de vapor no solo a la parte inferior, sino también a la parte superior del cilindro.

Entonces Watt and Bolton, fue construido máquina de vapor de doble efecto.

Ahora se suministró vapor alternativamente a ambas cavidades del cilindro. Las paredes del cilindro estaban térmicamente aisladas del entorno exterior.

Aunque la máquina de Watt se volvió más eficiente que la máquina de Newcomen, la eficiencia aún era extremadamente baja (1-2%).

Cómo Watt y Bolton construyeron y promocionaron sus autos

No había dudas sobre la capacidad de fabricación y la cultura de producción en el siglo XVIII. Las cartas de Watt a Bolton están llenas de quejas sobre las borracheras, los robos y la pereza de los trabajadores. “Podemos contar muy poco con nuestros trabajadores en Soho”, le escribió a Bolton. - James Taylor comenzó a beber más fuerte. Es obstinado, obstinado e infeliz. La máquina en la que trabajó Cartwright es una serie continua de errores y meteduras de pata. Smith y el resto son ignorantes, y todos necesitan ser vigilados diariamente para asegurarse de que no salga nada peor".
Exigió una acción estricta de Bolton y, en general, se inclinó a detener la producción de automóviles en Soho. “Hay que decirles a todos los perezosos”, escribió, “que si son tan desatentos como lo han sido hasta ahora, serán expulsados ​​​​de la fábrica. El costo de construir una máquina en Soho nos está costando muy caro, y si no se puede mejorar la producción, entonces se debe detener por completo y distribuir el trabajo a un lado.

La fabricación de piezas para máquinas requería un equipo adecuado. Por lo tanto, se produjeron diferentes componentes de máquinas en diferentes fábricas.
Entonces, en la planta de Wilkinson, los cilindros fueron fundidos y perforados, también se fabricaron allí culatas, un pistón, una bomba de aire y un condensador. La carcasa de hierro fundido para el cilindro se fundió en una de las fundiciones de Birmingham, se trajeron tubos de cobre de Londres y se produjeron piezas pequeñas en el sitio de la máquina. Todas estas piezas fueron ordenadas por Bolton y Watt a expensas del cliente, el propietario de la mina o molino.
Gradualmente, las partes separadas fueron llevadas al lugar y ensambladas bajo la supervisión personal de Watt. Más tarde compiló instrucciones detalladas para el montaje de máquinas. Los herreros locales solían remachar el caldero en el lugar.

Después de la exitosa puesta en marcha de una máquina deshidratadora en una de las minas de Cornualles (considerada la mina más difícil), Bolton y Watt recibieron muchos pedidos. Los dueños de las minas vieron que la máquina de Watt tenía éxito donde la máquina de Newcomen era impotente. E inmediatamente comenzaron a pedir bombas Watt.
Watt estaba inundado de trabajo. Se sentó durante semanas en sus dibujos, fue a la instalación de máquinas; no se podía hacer nada sin su ayuda y supervisión. Estaba solo y tenía que mantenerse al día en todas partes.

Para que la máquina de vapor pudiera accionar otros mecanismos, era necesario convertir los movimientos alternativos en giratorios, y para un movimiento uniforme adaptar la rueda como un volante.

En primer lugar, era necesario amarrar firmemente el pistón y el balanceador (hasta este punto, se usaba una cadena o cuerda).
Watt pretendía realizar la transferencia del pistón al equilibrador mediante una tira dentada, y colocar un sector de engranajes en el equilibrador.

sector dentado

Este sistema resultó poco fiable y Watt se vio obligado a abandonarlo.

Se planeó que la transferencia de par se llevara a cabo mediante un mecanismo de manivela.

mecanismo de manivela

Pero hubo que abandonar la manivela ya que este sistema ya había sido patentado (en 1780) por James Pickard. Picard le ofreció a Watt licencias cruzadas, pero Watt rechazó la oferta y usó un engranaje planetario en su automóvil. (hay ambigüedades sobre las patentes, puede leer al final del artículo)

engranaje planetario

Motor de vatios (1788)

Al crear una máquina con movimiento de rotación continuo, Watt tuvo que resolver una serie de problemas no triviales (distribución de vapor sobre dos cavidades de cilindro, control automático de velocidad y movimiento rectilíneo del vástago del pistón).

paralelogramo de Watt

El mecanismo de Watt se inventó para dar al empuje del pistón un movimiento rectilíneo.

Máquina de vapor construida según la patente de James Watt en 1848 en Freiberg en Alemania.

Regulador centrífugo

El principio de funcionamiento del regulador centrífugo es simple, cuanto más rápido gira el eje, más divergen las cargas bajo la acción de la fuerza centrífuga y más se bloquea la tubería de vapor. Se bajan los pesos, se abre la tubería de vapor.
Hace tiempo que se conoce un sistema similar en el negocio de la molienda para ajustar la distancia entre las muelas.
Watt adaptó el regulador para la máquina de vapor.

Dispositivo de distribución de vapor

Sistema de válvula de pistón

El dibujo fue elaborado por uno de los asistentes de Watt en 1783 (las letras son para aclaraciones). B y B - pistones conectados entre sí por el tubo C y moviéndose en el tubo D conectado al condensador H y los tubos E y F al cilindro A; G - tubería de vapor; K - una varilla que sirve para mover explosivos.
En la posición de los pistones BB que se muestra en el dibujo, el espacio de la tubería D entre los pistones B y B, así como la parte inferior del cilindro A debajo del pistón (no se muestra en la figura), adyacente a F, están llenos de vapor, mientras que en la parte superior del cilindro A, sobre el pistón, se comunican a través de E y C con un condensador H, un estado de rarefacción; cuando el explosivo se eleva por encima de F y E, la parte inferior de A a F se comunicará con H, y la parte superior a través de E y D se comunicará con la tubería de vapor.

dibujo llamativo

Sin embargo, hasta 1800 Watt siguió utilizando válvulas de asiento (discos metálicos subidos o bajados por encima de las correspondientes ventanas y accionados por un complejo sistema de palancas), ya que la fabricación de un sistema de "válvulas de pistón" requería una gran precisión.

El desarrollo del mecanismo de distribución de vapor estuvo a cargo principalmente del asistente de Watt, William Murdoch.

Murdoch, continuó mejorando el mecanismo de distribución de vapor y en 1799 patentó el carrete en forma de D (carrete de caja).

Según la posición de la bobina, las ventanas (4) y (5) comunican con un espacio cerrado (6) que rodea la bobina y lleno de vapor, o con la cavidad 7 conectada a la atmósfera o condensador.

Después de todas las mejoras, se construyó la siguiente máquina:

El vapor, utilizando un distribuidor de vapor, se suministraba alternativamente a diferentes cavidades del cilindro, y el regulador centrífugo controlaba la válvula de suministro de vapor (si la máquina aceleraba demasiado, la válvula se cerraba y viceversa, se abría si disminuía demasiado la velocidad).

vídeo visual

Esta máquina ya podría funcionar no solo como bomba, sino también para accionar otros mecanismos.

en 1784 Watt recibió una patente para máquina de vapor universal(Patente No. 1432).

sobre el molino

En 1986, Bolton y Watt construyeron un molino en Londres (el "Molino Albion"), impulsado por una máquina de vapor. Cuando el molino se puso en funcionamiento, comenzó una auténtica peregrinación. Los londinenses estaban muy interesados ​​en las mejoras técnicas.

A Watt, que no estaba familiarizado con el marketing, le molestó el hecho de que los espectadores interfirieran con su trabajo y exigió que se negara el acceso a los forasteros. Bolton, por otro lado, creía que la mayor cantidad posible de personas debería conocer el automóvil y, por lo tanto, rechazó las solicitudes de Watt.
En general, Bolton y Watt no experimentaron falta de clientes. En 1791, el molino se quemó (o tal vez fue incendiado, ya que los molineros tenían miedo de la competencia).

A finales de los ochenta, Watt deja de mejorar su coche. En cartas a Bolton, escribe:
“Es muy posible que, salvo algunas mejoras en el mecanismo de la máquina, nada mejor que lo que ya hemos producido no sea permitido por la naturaleza, que para la mayoría de las cosas ha ordenado su nec plus ultra (del latín “en ningún otro lugar”). .”
Y más tarde, Watt afirmó que no pudo descubrir nada nuevo en la máquina de vapor, y si estaba involucrado en eso, solo la mejora de los detalles y la verificación de sus conclusiones y observaciones anteriores.

Lista de literatura rusa

Kamensky A. V. James Watt, su vida y actividades científicas y prácticas. San Petersburgo, 1891
Weisenberg L. M. James Watt, inventor de la máquina de vapor. M. - L., 1930
Lesnikov MP James Wat. m., 1935
Confederados I.Ya. James Watt es el inventor de la máquina de vapor. m., 1969

Por lo tanto, podemos suponer que la primera etapa en el desarrollo de las máquinas de vapor ha terminado.

Cita de TSB

El motor universal de Watt, debido a su eficiencia, fue ampliamente utilizado y desempeñó un papel importante en la transición a la producción mecánica capitalista. “El gran genio de Watt”, escribió K. Marx, “se revela en el hecho de que la patente que obtuvo en abril de 1784, describiendo la máquina de vapor, la describe no como una invención solo para propósitos especiales, sino como una máquina universal de gran industria” (Marx, K. El Capital, vol. 1, 1955, pp. 383-384).

La fábrica de Watt and Bolton en 1800 fue construida por St. 250 máquinas de vapor, y en 1826 en Inglaterra había hasta 1500 máquinas con una capacidad total de aprox. 80000 caballos de fuerza Con raras excepciones, se trataba de máquinas de tipo Watt. Después de 1784, Watt se dedicó principalmente a mejorar la producción y, después de 1800, se retiró por completo.

Una máquina de vapor es una máquina térmica en la que la energía potencial del vapor en expansión se convierte en energía mecánica entregada al consumidor.

Nos familiarizaremos con el principio de funcionamiento de la máquina utilizando el diagrama simplificado de la Fig. una.

Dentro del cilindro 2 hay un pistón 10 que puede moverse hacia adelante y hacia atrás bajo la presión del vapor; El cilindro tiene cuatro canales que se pueden abrir y cerrar. Dos canales de vapor superiores1 Y3 están conectados por una tubería a la caldera de vapor y, a través de ellos, el vapor fresco puede ingresar al cilindro. A través de los dos capuchones inferiores 9 y 11, se libera del cilindro el par, que ya ha completado el trabajo.

El diagrama muestra el momento en que los canales 1 y 9 están abiertos, los canales 3 y11 cerrado. Por lo tanto, el vapor fresco de la caldera a través del canal1 entra en la cavidad izquierda del cilindro y, con su presión, mueve el pistón hacia la derecha; en este momento, el vapor de escape se elimina de la cavidad derecha del cilindro a través del canal 9. Con la posición extrema derecha del pistón, los canales1 Y9 están cerrados, y 3 para la entrada de vapor fresco y 11 para el escape de vapor de escape están abiertos, como resultado de lo cual el pistón se moverá hacia la izquierda. En la posición extrema izquierda del pistón, los canales se abren1 y 9 y se cierran los canales 3 y 11 y se repite el proceso. Por lo tanto, se crea un movimiento alternativo rectilíneo del pistón.

Para convertir este movimiento en rotacional, el llamado mecanismo de manivela. Consiste en un vástago de pistón - 4, conectado en un extremo al pistón, y en el otro, de manera pivotante, por medio de un deslizador (cruceta) 5, que se desliza entre los paralelos de guía, con una biela 6, que transmite movimiento a el eje principal 7 a través de su rodilla o manivela 8.

La cantidad de torque en el eje principal no es constante. De hecho, la fuerzaR , dirigida a lo largo del tallo (Fig. 2), se puede descomponer en dos componentes:PARA dirigido a lo largo de la biela, ynorte , perpendicular al plano de los paralelos guía. La fuerza N no tiene ningún efecto sobre el movimiento, sino que solo presiona la corredera contra las guías paralelas. FuerzaPARA se transmite a lo largo de la biela y actúa sobre la manivela. Aquí se puede descomponer de nuevo en dos componentes: la fuerzaZ , dirigida a lo largo del radio de la manivela y presionando el eje contra los cojinetes, y la fuerzaT perpendicular a la manivela y haciendo que el eje gire. La magnitud de la fuerza T se determinará a partir de la consideración del triángulo AKZ. Dado que el ángulo ZAK = ? + ?, entonces

T = K pecado (? + ?).

Pero desde la fuerza del triángulo TOC

K= PAGS/ porque ?

es por eso

T= psi( ? + ?) / porque ? ,

Durante la operación de la máquina para una revolución del eje, los ángulos? Y? y fuerzaR están cambiando continuamente y, por lo tanto, la magnitud de la fuerza de torsión (tangencial)T también variables. Para crear una rotación uniforme del eje principal durante una revolución, se monta un volante pesado, debido a la inercia de la cual se mantiene una velocidad angular constante de rotación del eje. En esos momentos cuando el poderT aumenta, no puede aumentar inmediatamente la velocidad de rotación del eje hasta que el volante se acelera, lo que no sucede instantáneamente, ya que el volante tiene una gran masa. En aquellos momentos en que el trabajo producido por la fuerza de torsiónT , el trabajo de las fuerzas de resistencia creadas por el consumidor se vuelve menor, el volante, nuevamente, debido a su inercia, no puede reducir inmediatamente su velocidad y, renunciando a la energía recibida durante su aceleración, ayuda al pistón a superar la carga.

¿En las posiciones extremas de los ángulos del pistón? +? = 0, entonces sen (? + ?) = 0 y, por lo tanto, T = 0. Dado que no hay fuerza de rotación en estas posiciones, si la máquina no tuviera volante, el reposo tendría que detenerse. Estas posiciones extremas del pistón se denominan posiciones muertas o puntos muertos. La manivela también pasa a través de ellos debido a la inercia del volante.

En posiciones muertas, el pistón no se pone en contacto con las tapas de los cilindros, queda un llamado espacio dañino entre el pistón y la tapa. El volumen del espacio dañino también incluye el volumen de los canales de vapor desde los órganos de distribución de vapor hasta el cilindro.

CarreraS se llama la trayectoria recorrida por el pistón cuando se mueve de una posición extrema a otra. Si la distancia desde el centro del eje principal hasta el centro del pasador del cigüeñal, el radio del cigüeñal, se indica con R, entonces S = 2R.

Desplazamiento del cilindro V h llamado volumen descrito por el pistón.

Por lo general, las máquinas de vapor son de doble acción (doble cara) (ver Fig. 1). A veces se utilizan máquinas de simple efecto, en las que el vapor ejerce presión sobre el pistón sólo desde el lado de la tapa; el otro lado del cilindro en tales máquinas permanece abierto.

En función de la presión con la que el vapor sale del cilindro, las máquinas se dividen en escape, si el vapor sale a la atmósfera, condensación, si el vapor entra en el condensador (un frigorífico donde se mantiene la presión reducida), y extracción de calor, en que el vapor que sale de la máquina se utiliza para cualquier fin (calefacción, secado, etc.)

Las máquinas de vapor se instalaron y accionaron la mayoría de las locomotoras de vapor desde principios del siglo XIX hasta la década de 1950. Me gustaría señalar que el principio de funcionamiento de estos motores siempre se ha mantenido sin cambios, a pesar del cambio en su diseño y dimensiones.

Una ilustración animada muestra cómo funciona una máquina de vapor.

Para generar el vapor suministrado al motor, se utilizaron calderas que funcionaban tanto con madera como con carbón, y con combustibles líquidos.

Primera medida

El vapor de la caldera ingresa a la cámara de vapor, desde donde ingresa a la parte superior (frontal) del cilindro a través de la válvula de vapor (indicada en azul). La presión creada por el vapor empuja el pistón hacia abajo a BDC. Durante el movimiento del pistón de TDC a BDC, la rueda da media vuelta.

Liberar

Al final de la carrera del pistón al BDC, la válvula de vapor se desplaza, liberando el vapor restante a través del puerto de escape ubicado debajo de la válvula. El resto del vapor sale, creando el sonido característico de las máquinas de vapor.

Segunda medida

Al mismo tiempo, al mover la válvula para liberar el resto del vapor, se abre la entrada de vapor a la parte inferior (trasera) del cilindro. La presión creada por el vapor en el cilindro hace que el pistón se mueva a TDC. En este momento, la rueda da otra media vuelta.

Liberar

Al final del movimiento del pistón a TDC, el vapor restante se libera a través del mismo puerto de escape.

El ciclo se repite de nuevo.

La máquina de vapor tiene un llamado. punto muerto al final de cada carrera cuando la válvula cambia de carrera de expansión a carrera de escape. Por esta razón, cada máquina de vapor tiene dos cilindros, lo que permite arrancar el motor desde cualquier posición.

El proceso de inventar una máquina de vapor, como suele ser el caso en la tecnología, se prolongó durante casi un siglo, por lo que la elección de una fecha para este evento es bastante arbitraria. Sin embargo, nadie niega que el gran avance que supuso la revolución tecnológica lo protagonizó el escocés James Watt.

La gente ha pensado en utilizar el vapor como fluido de trabajo desde la antigüedad. Sin embargo, solo a principios de los siglos XVII-XVIII. logró encontrar una manera de producir trabajo útil con la ayuda de vapor. Uno de los primeros intentos de poner el vapor al servicio del hombre se hizo en Inglaterra en 1698: la máquina del inventor Savery estaba destinada a vaciar minas y bombear agua. Es cierto que el invento de Savery aún no era un motor en el pleno sentido de la palabra, ya que, aparte de unas pocas válvulas que se abrían y cerraban manualmente, no tenía partes móviles. La máquina de Savery funcionaba de la siguiente manera: primero, un tanque sellado se llenaba con vapor, luego la superficie exterior del tanque se enfriaba con agua fría, lo que provocaba que el vapor se condensara y se creaba un vacío parcial en el tanque. Después de eso, el agua, por ejemplo, desde el fondo de la mina, se succionó al tanque a través de la tubería de entrada y, después de que se admitió la siguiente porción de vapor, se arrojó.

La primera máquina de vapor con pistón fue construida por el francés Denis Papin en 1698. Se calentaba agua dentro de un cilindro vertical con un pistón, y el vapor resultante empujaba el pistón hacia arriba. A medida que el vapor se enfriaba y condensaba, el pistón era empujado hacia abajo por la presión atmosférica. A través de un sistema de bloques, la máquina de vapor de Papin podía accionar varios mecanismos, como bombas.

Una máquina más perfecta fue construida en 1712 por el herrero inglés Thomas Newcomen. Como en la máquina de Papin, el pistón se movía en un cilindro vertical. El vapor de la caldera entró en la base del cilindro y levantó el pistón. Cuando se inyectó agua fría en el cilindro, el vapor se condensó, se formó un vacío en el cilindro y, bajo la influencia de la presión atmosférica, el pistón cayó. Este golpe de retorno sacaba el agua del cilindro y, por medio de una cadena conectada a un balancín, que se movía como un columpio, levantaba la varilla de la bomba hacia arriba. Cuando el pistón estaba en el fondo de su carrera, el vapor entraba de nuevo en el cilindro y, con la ayuda de un contrapeso montado en la varilla de la bomba o en el balancín, el pistón subía hasta posición inicial. Después de eso, el ciclo se repitió.

La máquina Newcomen fue ampliamente utilizada en Europa durante más de 50 años. En la década de 1740, una máquina con un cilindro de 2,74 m de largo y 76 cm de diámetro hacía en un día el trabajo que un equipo de 25 personas y 10 caballos, trabajando por turnos, hacía en una semana. Y, sin embargo, su eficiencia era extremadamente baja.

La revolución industrial más llamativa se manifestó en Inglaterra, principalmente en la industria textil. La discrepancia entre la oferta de telas y el rápido aumento de la demanda atrajo a las mejores mentes de diseño al desarrollo de máquinas de hilar y tejer. La historia de la tecnología inglesa incluyó para siempre los nombres de Cartwright, Kay, Crompton, Hargreaves. Pero las máquinas de hilar y tejer que crearon necesitaban un motor universal cualitativamente nuevo que impulsara de forma continua y uniforme (que la rueda hidráulica no podía proporcionar) las máquinas en un movimiento de rotación unidireccional. Fue aquí donde el talento del famoso ingeniero, el "mago de Greenock" James Watt, apareció en todo su esplendor.

Watt nació en la ciudad escocesa de Greenock en la familia de un constructor naval. Trabajando como aprendiz en talleres en Glasgow, en los primeros dos años, James adquirió las calificaciones de un grabador, un maestro en la fabricación de instrumentos matemáticos, topográficos, ópticos y varios instrumentos de navegación. Siguiendo el consejo de su tío, el profesor, James ingresó a la universidad local como mecánico. Fue aquí donde Watt comenzó a trabajar en máquinas de vapor.

James Watt estaba tratando de mejorar la máquina atmosférica de vapor de Newcomen, que, en general, solo servía para bombear agua. Estaba claro para él que el principal inconveniente de la máquina de Newcomen era la alternancia de calentamiento y enfriamiento del cilindro. En 1765, a Watt se le ocurrió la idea de que el cilindro podía permanecer caliente todo el tiempo si, antes de la condensación, el vapor se desviaba a un depósito separado a través de una tubería con válvula. Además, Watt hizo varias mejoras más que finalmente convirtieron la máquina atmosférica de vapor en una máquina de vapor. Por ejemplo, inventó un mecanismo de bisagra: el "paralelogramo de Watt" (llamado así porque parte de los enlaces, las palancas que componen su composición forman un paralelogramo), que convirtió el movimiento alternativo del pistón en el movimiento de rotación del eje principal. . Ahora los telares podrían funcionar continuamente.

En 1776 se probó la máquina de Watt. Su eficiencia resultó ser el doble de la de la máquina de Newcomen. En 1782, Watt creó la primera máquina de vapor universal de doble efecto. El vapor entraba en el cilindro alternativamente desde un lado del pistón, luego desde el otro. Por lo tanto, el pistón realizaba tanto una carrera de trabajo como una inversa con la ayuda del vapor, lo que no ocurría en las máquinas anteriores. Dado que el vástago del pistón en una máquina de vapor de doble efecto realizaba una acción de tracción y empuje, el antiguo sistema de transmisión de cadenas y balancines, que respondía solo al empuje, tuvo que ser rehecho. Watt desarrolló un sistema de articulación y usó un mecanismo planetario para convertir el movimiento alternativo de un vástago de pistón en un movimiento de rotación, usando un volante pesado, un controlador de velocidad centrífugo, una válvula de disco y un manómetro para medir la presión del vapor. La "máquina de vapor rotativa" patentada por Watt se usó primero ampliamente en hilanderías y telares, y más tarde en otras empresas industriales. El motor de Watt era apto para cualquier automóvil, y los inventores de los mecanismos autopropulsados ​​no tardaron en aprovecharlo.

La máquina de vapor de Watt fue realmente el invento del siglo y marcó el comienzo de la revolución industrial. Pero el inventor no se quedó ahí. Los vecinos observaron con sorpresa más de una vez cómo Watt conducía caballos por el prado, tirando de pesos especialmente seleccionados. Entonces apareció la unidad de poder: Caballo de fuerza que posteriormente recibió el reconocimiento universal.

Desafortunadamente, las dificultades financieras obligaron a Watt, ya en la edad adulta, a realizar estudios geodésicos, trabajar en la construcción de canales, construir puertos y marinas, y finalmente entrar en una alianza económicamente esclavizante con el empresario John Rebeck, quien pronto sufrió un completo colapso financiero.

Las máquinas de vapor se utilizaron como motor de accionamiento en estaciones de bombeo, locomotoras, barcos de vapor, tractores, vagones de vapor y otros. Vehículo Oh. Las máquinas de vapor contribuyeron al uso comercial generalizado de máquinas en las empresas y fueron la base energética de la revolución industrial del siglo XVIII. Más tarde, las máquinas de vapor fueron reemplazadas por motores de combustión interna, turbinas de vapor, motores eléctricos y reactores nucleares, que son más eficientes.

Máquina de vapor en acción

invención y desarrollo

El primer dispositivo a vapor conocido fue descrito por Garza de Alejandría en el siglo I, el llamado "baño de Garza" o "aeolipil". El vapor que salía tangencialmente de las boquillas fijadas en la bola hacía girar a esta última. Se supone que la conversión de vapor a movimiento mecanico fue conocido en Egipto durante el período del dominio romano y se utilizó en dispositivos simples.

Primeros motores industriales

Ninguno de los dispositivos descritos se ha utilizado realmente como medio para resolver problemas útiles. La primera máquina de vapor utilizada en la producción fue la "máquina de fuego", diseñada por el ingeniero militar inglés Thomas Savery en 1698. Savery recibió una patente para su dispositivo en 1698. Era una bomba de vapor recíproca, y obviamente no muy eficiente, ya que el calor del vapor se perdía cada vez que se enfriaba el recipiente, y bastante peligrosa en su funcionamiento, porque debido a la alta presión del vapor, los tanques y las tuberías del motor a veces explotó Dado que este dispositivo podría usarse tanto para hacer girar las ruedas de un molino de agua como para sacar agua de las minas, el inventor lo llamó "amigo de los mineros".

Luego, el herrero inglés Thomas Newcomen demostró su "máquina atmosférica" ​​en 1712, que fue la primera máquina de vapor para la que pudo haber demanda comercial. Esta fue una mejora en la máquina de vapor de Savery, en la que Newcomen redujo sustancialmente la presión operativa del vapor. Newcomen puede haberse basado en una descripción de los experimentos de Papin en poder de la Royal Society de Londres, a la que pudo haber tenido acceso a través de un miembro de la sociedad, Robert Hooke, que trabajó con Papin.

Diagrama de la máquina de vapor de Newcomen.
– El vapor se muestra en violeta, el agua en azul.
– Las válvulas abiertas se muestran en verde, las válvulas cerradas en rojo

La primera aplicación del motor Newcomen fue bombear agua desde una mina profunda. En la bomba de la mina, el balancín estaba conectado a una varilla que descendía dentro de la mina hasta la cámara de la bomba. Los movimientos alternativos del empuje se transmitían al pistón de la bomba, que suministraba agua a la parte superior. Las válvulas de los primeros motores Newcomen se abrían y cerraban a mano. La primera mejora fue la automatización de las válvulas, que eran accionadas por la propia máquina. Cuenta la leyenda que esta mejora la hizo en 1713 el niño Humphrey Potter, quien debía abrir y cerrar las válvulas; cuando se cansó, ató las manijas de las válvulas con cuerdas y se fue a jugar con los niños. Para 1715, ya se creó un sistema de control de palanca, impulsado por el mecanismo del propio motor.

La primera máquina de vapor de vacío de dos cilindros en Rusia fue diseñada por el mecánico II Polzunov en 1763 y construida en 1764 para impulsar fuelles en las fábricas de Barnaul Kolyvano-Voskresensky.

Humphrey Gainsborough construyó un modelo de máquina de vapor de condensador en la década de 1760. En 1769, el mecánico escocés James Watt (quizás usando las ideas de Gainsborough) patentó las primeras mejoras significativas al motor de vacío Newcomen, lo que lo hizo mucho más eficiente en el consumo de combustible. La contribución de Watt fue separar la fase de condensación del motor de vacío en una cámara separada mientras el pistón y el cilindro estaban a la temperatura del vapor. Watt agregó algunos más al motor Newcomen detalles importantes: colocó un pistón dentro del cilindro para expulsar el vapor y convirtió el movimiento alternativo del pistón en el movimiento de rotación de la rueda motriz.

Basado en estas patentes, Watt construyó una máquina de vapor en Birmingham. En 1782, la máquina de vapor de Watt era tres veces más eficiente que la de Newcomen. La mejora en la eficiencia del motor de Watt condujo al uso de la energía de vapor en la industria. Además, a diferencia del motor de Newcomen, el motor de Watt permitía transmitir el movimiento de rotación, mientras que en los primeros modelos de motores de vapor el pistón estaba conectado al balancín y no directamente a la biela. Este motor ya tenía las características principales de los motores de vapor modernos.

Otro aumento en la eficiencia fue el uso de vapor a alta presión (el estadounidense Oliver Evans y el inglés Richard Trevithick). R. Trevithick construyó con éxito motores industriales de un solo tiempo de alta presión, conocidos como "motores de Cornualles". Operaban a 50 psi o 345 kPa (3,405 atmósferas). Sin embargo, con el aumento de la presión, también hubo un mayor peligro de explosiones en máquinas y calderas, lo que inicialmente provocó numerosos accidentes. Desde este punto de vista, el elemento más importante de la máquina de alta presión era la válvula de seguridad, que liberaba el exceso de presión. La operación confiable y segura comenzó solo con la acumulación de experiencia y la estandarización de procedimientos para la construcción, operación y mantenimiento de equipos.

El inventor francés Nicolas-Joseph Cugnot demostró el primer vehículo de vapor autopropulsado en funcionamiento en 1769: el "fardier à vapeur" (carro de vapor). Quizás su invento pueda considerarse el primer automóvil. El tractor a vapor autopropulsado resultó muy útil como fuente móvil de energía mecánica que ponía en marcha otras máquinas agrícolas: trilladoras, prensas, etc. En 1788, un barco a vapor construido por John Fitch ya operaba un servicio regular a lo largo de la Río Delaware entre Filadelfia (Pensilvania) y Burlington (estado de Nueva York). Levantó a 30 pasajeros a bordo y fue a una velocidad de 7 a 8 millas por hora. El barco de vapor de J. Fitch no tuvo éxito comercial, ya que una buena carretera terrestre compitió con su ruta. En 1802, el ingeniero escocés William Symington construyó un barco de vapor competitivo, y en 1807, el ingeniero estadounidense Robert Fulton usó una máquina de vapor Watt para impulsar el primer barco de vapor comercialmente exitoso. El 21 de febrero de 1804, la primera locomotora de vapor de ferrocarril autopropulsada, construida por Richard Trevithick, se exhibió en la fundición de Penydarren en Merthyr Tydfil, Gales del Sur.

Motores de vapor alternativos

Los motores alternativos usan energía de vapor para mover un pistón en una cámara o cilindro sellado. La acción recíproca de un pistón se puede convertir mecánicamente en movimiento lineal para bombas de pistón, o en movimiento giratorio para impulsar piezas giratorias de máquinas herramienta o ruedas de vehículos.

máquinas de vacío

Las primeras máquinas de vapor se llamaron al principio "máquinas de fuego", y también máquinas de Watt "atmosféricas" o "de condensación". Funcionaron según el principio del vacío y, por lo tanto, también se conocen como "motores de vacío". Tales máquinas funcionaban para accionar bombas de pistón, en todo caso, no hay constancia de que fueran utilizadas para otros fines. Durante el funcionamiento de una máquina de vapor de tipo vacío, al comienzo del ciclo, se admite vapor a baja presión en la cámara o cilindro de trabajo. Válvula de entrada después de eso, se cierra y el vapor se enfría y se condensa. En un motor Newcomen, el agua de refrigeración se rocía directamente en el cilindro y el condensado escapa a un colector de condensado. Esto crea un vacío en el cilindro. La presión atmosférica en la parte superior del cilindro presiona el pistón y hace que se mueva hacia abajo, es decir, la carrera de potencia.

El enfriamiento y recalentamiento constante del cilindro de trabajo de la máquina era muy derrochador e ineficiente, sin embargo, estas máquinas de vapor permitían bombear agua desde una profundidad mayor de lo que era posible antes de su aparición. En el año apareció una versión de la máquina de vapor, creada por Watt en colaboración con Matthew Boulton, cuya principal innovación fue la eliminación del proceso de condensación en una cámara separada especial (condensador). Esta cámara se colocó en un baño de agua fría y se conectó al cilindro mediante un tubo cerrado por una válvula. Una pequeña bomba de vacío especial (un prototipo de una bomba de condensado) se adjuntó a la cámara de condensación, impulsada por un balancín y utilizada para eliminar el condensado del condensador. El agua caliente resultante fue suministrada por una bomba especial (un prototipo de la bomba de alimentación) de vuelta a la caldera. Otra innovación radical fue el cierre del extremo superior del cilindro de trabajo, en la parte superior del cual ahora había vapor a baja presión. El mismo vapor estaba presente en la doble camisa del cilindro, manteniendo su temperatura constante. Durante el movimiento ascendente del pistón, este vapor era transferido a través de tubos especiales a la parte inferior del cilindro para ser condensado durante la siguiente carrera. La máquina, de hecho, dejó de ser "atmosférica", y su potencia pasó a depender de la diferencia de presión entre el vapor a baja presión y el vacío que pudiera obtenerse. En la máquina de vapor de Newcomen, el pistón se lubricaba con una pequeña cantidad de agua vertida sobre él, en la máquina de Watt esto se volvió imposible, ya que ahora había vapor en la parte superior del cilindro, era necesario cambiar a lubricación con una mezcla de grasa y aceite. La misma grasa se utilizó en el prensaestopas del vástago del cilindro.

Las máquinas de vapor de vacío, a pesar de las limitaciones obvias de su eficiencia, eran relativamente seguras y usaban vapor a baja presión, lo cual era bastante consistente con el bajo nivel general de la tecnología de calderas del siglo XVIII. La potencia de la máquina estaba limitada por la baja presión de vapor, el tamaño del cilindro, la velocidad de combustión del combustible y la evaporación del agua en la caldera y el tamaño del condensador. La eficiencia teórica máxima estaba limitada por la diferencia de temperatura relativamente pequeña a ambos lados del pistón; esto hizo que las máquinas de vacío destinadas a uso industrial fueran demasiado grandes y caras.

Compresión

El puerto de salida del cilindro de una máquina de vapor se cierra un poco antes de que el pistón alcance su posición final, dejando algo de vapor de escape en el cilindro. Esto significa que existe una fase de compresión en el ciclo de trabajo, que forma el llamado “cojín de vapor”, que ralentiza el movimiento del pistón en sus posiciones extremas. También elimina la repentina caída de presión al comienzo de la fase de admisión cuando ingresa vapor fresco al cilindro.

Avance

El efecto de "cojín de vapor" descrito también se ve reforzado por el hecho de que la entrada de vapor fresco en el cilindro comienza algo antes de que el pistón alcance su posición extrema, es decir, hay un cierto avance de la entrada. Este avance es necesario para que antes de que el pistón inicie su carrera de trabajo bajo la acción del vapor fresco, el vapor tenga tiempo de llenar el espacio muerto surgido como consecuencia de la fase anterior, es decir, los canales de admisión-escape y el volumen del cilindro no utilizado para el movimiento del pistón.

extensión sencilla

Una expansión simple supone que el vapor solo funciona cuando se expande en el cilindro, y el vapor de escape se libera directamente a la atmósfera o ingresa a un condensador especial. El calor residual del vapor se puede aprovechar, por ejemplo, para calentar una habitación o un vehículo, así como para precalentar el agua que entra en la caldera.

Compuesto

Durante el proceso de expansión en el cilindro de una máquina de alta presión, la temperatura del vapor desciende en proporción a su expansión. Como no hay intercambio de calor (proceso adiabático), resulta que el vapor entra al cilindro a una temperatura más alta que la que sale. Tales fluctuaciones de temperatura en el cilindro conducen a una disminución de la eficiencia del proceso.

Uno de los métodos para hacer frente a esta diferencia de temperatura fue propuesto en 1804 por el ingeniero inglés Arthur Wolfe, quien patentó Motor de vapor compuesto de alta presión Wulff. En esta máquina, el vapor a alta temperatura de la caldera de vapor ingresaba al cilindro de alta presión, y luego el vapor que se escapaba a una temperatura y presión más bajas ingresaba al cilindro (o cilindros) de baja presión. Esto redujo la diferencia de temperatura en cada cilindro, lo que generalmente redujo las pérdidas de temperatura y mejoró la eficiencia general de la máquina de vapor. El vapor a baja presión tenía un volumen mayor y, por lo tanto, requería un volumen mayor del cilindro. Por lo tanto, en las máquinas compuestas, los cilindros de baja presión tenían un diámetro mayor (ya veces más largo) que los cilindros de alta presión.

Este arreglo también se conoce como "doble expansión" porque la expansión del vapor ocurre en dos etapas. A veces, un cilindro de alta presión se conectaba a dos cilindros de baja presión, lo que resultaba en tres cilindros de aproximadamente el mismo tamaño. Tal esquema era más fácil de equilibrar.

Las máquinas de composición de dos cilindros se pueden clasificar en:

• compuesto cruzado- Los cilindros están ubicados uno al lado del otro, sus canales de conducción de vapor están cruzados.
• Compuesto en tándem- Los cilindros están dispuestos en serie y utilizan un solo vástago.
• Compuesto de ángulo- Los cilindros forman un ángulo entre sí, normalmente de 90 grados, y funcionan con una manivela.

Después de la década de 1880, las máquinas de vapor compuestas se generalizaron en la fabricación y el transporte, y se convirtieron prácticamente en el único tipo utilizado en los barcos de vapor. Su uso en locomotoras de vapor no fue tan generalizado ya que resultaron demasiado complejos, en parte debido a las difíciles condiciones de funcionamiento de las máquinas de vapor en el transporte ferroviario. Aunque las locomotoras compuestas nunca se convirtieron en un fenómeno generalizado (especialmente en el Reino Unido, donde eran muy raras y no se usaron en absoluto después de la década de 1930), ganaron cierta popularidad en varios países.

Expansión múltiple

Diagrama simplificado de una máquina de vapor de triple expansión.
El vapor a alta presión (rojo) de la caldera pasa a través de la máquina, dejando el condensador a baja presión (azul).

El desarrollo lógico del esquema compuesto fue la adición de etapas de expansión adicionales, lo que aumentó la eficiencia del trabajo. El resultado fue un esquema de expansión múltiple conocido como máquinas de expansión triple o incluso cuádruple. Tales máquinas de vapor usaban una serie de cilindros de doble efecto, cuyo volumen aumentaba con cada etapa. A veces, en lugar de aumentar el volumen de los cilindros de baja presión, se utilizaba un aumento de su número, al igual que en algunas máquinas compuestas.

La imagen de la derecha muestra una máquina de vapor de triple expansión en funcionamiento. El vapor fluye a través de la máquina de izquierda a derecha. El bloque de válvulas de cada cilindro se encuentra a la izquierda del cilindro correspondiente.

La aparición de este tipo de máquinas de vapor cobró especial relevancia para la flota, ya que los requisitos de tamaño y peso para las máquinas de los barcos no eran muy estrictos y, lo más importante, este esquema facilitó el uso de un condensador que devuelve el vapor de escape en forma de de agua dulce de vuelta a la caldera (no era posible utilizar agua de mar salada para alimentar las calderas). Las máquinas de vapor terrestres generalmente no experimentaban problemas con el suministro de agua y, por lo tanto, podían emitir vapor de escape a la atmósfera. Por lo tanto, tal esquema era menos relevante para ellos, especialmente considerando su complejidad, tamaño y peso. El dominio de las máquinas de vapor de expansión múltiple terminó solo con el advenimiento y el uso generalizado de las turbinas de vapor. Sin embargo, las turbinas de vapor modernas utilizan el mismo principio de dividir el flujo en cilindros de alta, media y baja presión.

Máquinas de vapor de flujo directo

Las máquinas de vapor de un solo paso surgieron como resultado de un intento de superar un inconveniente inherente a máquinas de vapor con distribución de vapor tradicional. El hecho es que el vapor en una máquina de vapor ordinaria cambia constantemente su dirección de movimiento, ya que la misma ventana en cada lado del cilindro se usa tanto para la entrada como para la salida del vapor. Cuando el vapor de escape sale del cilindro, enfría sus paredes y canales de distribución de vapor. El vapor fresco, en consecuencia, gasta una cierta parte de la energía en calentarlos, lo que conduce a una caída en la eficiencia. Las máquinas de vapor de un solo paso tienen un puerto adicional, que se abre mediante un pistón al final de cada fase, ya través del cual el vapor sale del cilindro. Esto mejora la eficiencia de la máquina ya que el vapor se mueve en una dirección y el gradiente de temperatura de las paredes del cilindro permanece más o menos constante. Las máquinas de un solo paso con una sola expansión muestran aproximadamente la misma eficiencia que las máquinas compuestas con distribución de vapor convencional. Además, pueden trabajar por más altas revoluciones y, por lo tanto, antes de la llegada de las turbinas de vapor, a menudo se usaban para impulsar generadores eléctricos que requerían altas velocidades de rotación.

Las máquinas de vapor de un solo paso son de acción simple o doble.

Turbinas de vapor

Una turbina de vapor es una serie de discos giratorios fijos en un solo eje, llamado rotor de turbina, y una serie de discos fijos que alternan con ellos, fijos en una base, llamada estator. Los discos del rotor tienen palas en el lado exterior, se suministra vapor a estas palas y hace girar los discos. Los discos del estator tienen palas similares colocadas en ángulos opuestos, que sirven para redirigir el flujo de vapor a los siguientes discos del rotor. Cada disco de rotor y su correspondiente disco de estator se denomina etapa de turbina. El número y tamaño de las etapas de cada turbina se seleccionan de forma que se maximice la energía útil del vapor de la velocidad y presión que se le suministra. El vapor de escape que sale de la turbina entra en el condensador. Las turbinas giran a velocidades muy altas, por lo que las transmisiones reductoras especiales se usan comúnmente cuando se transfiere energía a otros equipos. Además, las turbinas no pueden cambiar su dirección de rotación y, a menudo, requieren mecanismos de inversión adicionales (a veces se utilizan etapas de rotación inversa adicionales).

Las turbinas convierten la energía del vapor directamente en rotación y no requieren mecanismos adicionales para convertir el movimiento alternativo en rotación. Además, las turbinas son más compactas que las máquinas alternativas y tienen una fuerza constante en el eje de salida. Dado que las turbinas tienen un diseño más simple, tienden a requerir menos mantenimiento.

Otros tipos de máquinas de vapor

Solicitud

Las máquinas de vapor se pueden clasificar según su aplicación de la siguiente manera:

Máquinas estacionarias

martillo de vapor

Motor de vapor en una antigua fábrica de azúcar, Cuba

Las máquinas de vapor estacionarias se pueden dividir en dos tipos según el modo de uso:

• Máquinas de servicio variable, que incluyen máquinas de laminación, cabrestantes de vapor y dispositivos similares, que deben detenerse y cambiar de dirección con frecuencia.
• Máquinas de potencia que rara vez se detienen y no tienen que cambiar la dirección de rotación. Estos incluyen motores de potencia en centrales eléctricas, así como motores industriales utilizados en fábricas, fábricas y teleféricos antes de su uso generalizado. tracción eléctrica. Los motores de baja potencia se utilizan en modelos marinos y en dispositivos especiales.

El cabrestante de vapor es esencialmente un motor estacionario, pero está montado en un marco base para que pueda moverse. Se puede asegurar con un cable al ancla y mover por su propio empuje a una nueva ubicación.

Transporte y Vehículos

Las máquinas de vapor se utilizaron para impulsar varios tipos de vehículos, entre ellos:

• Vehículos terrestres:
  • coche de vapor
  • tractor de vapor
  • excavadora de vapor, e incluso
• Avión de vapor.

En Rusia, la primera locomotora de vapor en funcionamiento fue construida por E. A. y M. E. Cherepanov en la planta de Nizhny Tagil en 1834 para transportar mineral. Desarrolló una velocidad de 13 millas por hora y transportó más de 200 libras (3,2 toneladas) de carga. La longitud del primer ferrocarril fue de 850 m.

Ventajas de las máquinas de vapor

La principal ventaja de las máquinas de vapor es que pueden utilizar casi cualquier fuente de calor para convertirlo en trabajo mecánico. Esto los distingue de los motores de combustión interna, cada uno de los cuales requiere el uso de un tipo específico de combustible. Esta ventaja es más notoria cuando se usa energía nuclear, ya que un reactor nuclear no es capaz de generar energía mecánica, sino que solo produce calor, que se utiliza para generar vapor que impulsa máquinas de vapor (generalmente turbinas de vapor). Además, existen otras fuentes de calor que no se pueden aprovechar en los motores de combustión interna, como la energía solar. Una dirección interesante es el uso de la energía de la diferencia de temperatura del Océano Mundial a diferentes profundidades.

Otros tipos de motores de combustión externa también tienen propiedades similares, como el motor Stirling, que puede proporcionar una eficiencia muy alta, pero es significativamente más grande y pesado que los tipos modernos de motores de vapor.

Las locomotoras de vapor funcionan bien a gran altura, ya que su eficiencia no disminuye debido a la baja presión atmosférica. Las locomotoras de vapor todavía se utilizan en las regiones montañosas de América Latina, a pesar de que en las tierras bajas han sido reemplazadas durante mucho tiempo por tipos de locomotoras más modernas.

En Suiza (Brienz Rothhorn) y Austria (Schafberg Bahn), las nuevas locomotoras de vapor que utilizan vapor seco han demostrado su eficacia. Este tipo de locomotora de vapor se desarrolló sobre la base de los modelos Swiss Locomotive and Machine Works (SLM), con muchas mejoras modernas, como el uso de cojinetes de rodillos, aislamiento térmico moderno, quema de fracciones de aceite ligero como combustible, tuberías de vapor mejoradas, etc. . Como resultado, estas locomotoras tienen un consumo de combustible un 60% menor y requisitos de mantenimiento significativamente menores. Las cualidades económicas de tales locomotoras son comparables a las modernas locomotoras diésel y eléctricas.

Además, las locomotoras de vapor son significativamente más livianas que las locomotoras diésel y eléctricas, lo cual es especialmente cierto para la minería. vias ferreas. Una característica de las máquinas de vapor es que no necesitan transmisión, transfiriendo la potencia directamente a las ruedas.

Eficiencia

Factor de eficiencia (COP) motor térmico se puede definir como la relación entre el trabajo mecánico útil y la cantidad gastada de calor contenido en el combustible. El resto de la energía se libera al medio ambiente en forma de calor. La eficiencia de la máquina térmica es