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Máquina de vapor

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Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía de una cierta cantidad de vapor de agua en trabajo mecánico. En esencia el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas: habiéndose generado previamente el vapor en la caldera por calentamiento directo mediante la quema de algún combustible —carbón o madera en sus inicios, derivados del petróleo y gas natural con posterioridad— el vapor es introducido en el cilindro arrastrando el émbolo o pistón en su expansión; empleando un mecanismo de biela-manivela éste se puede transformar en movimiento de rotación de, por ejemplo, el rotor de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial expulsando el vapor de agua. El ciclo se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la renovación de la carga, es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro.

Máquina de vapor de Watt del vestíbulo de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Madrid.

Los motores —que tales son— de vapor fueron extensamente utilizados en máquinas y aparatos tan diversos como bombas, máquinas locomotoras, motores marinos, etc. durante la Revolución Industrial en cuyo desarrollo tuvo un papel relevante. Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no son ya de émbolo (o desplazamiento positivo) como las descritas si no que son turbomáquinas, es decir, atravesadas por un flujo continuo de vapor y reciben la denominación genérica de turbinas de vapor. En la actualidad la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares ya que se ha visto desplazado especialemente por el motor eléctrico en la maquinaria industrial y por el de combustión interna en el transporte.

Evolución histórica

Artículo desarrollado → Historia de la máquina de vapor.

Muchos han sido los autores que han intentado determinar la fecha de la invención de la máquina de vapor atribuyéndola a tal o cual inventor, intento vano ya que la historia de su desarrollo está plagada de nombres propios. Desde la recopilación de Herón hasta la sofisticada máquina de Watt son multitud las mejoras que en Inglaterra y especialmente en el contexto de una incipiente Revolución Industrial en los siglos XVII y XVIII condujeron sin solución de continuidad desde los rudimentarios primeros aparatos sin aplicación práctica a la invención del motor universal que llegó a implantarse en todas las industrias y utilizarse en el transporte desplazando los tradicionales motores como el animal de tiro, el molino o la propia fuerza del hombre.

Primeras tentativas

Entre las reliquias de la civilización egipcia encontramos el primer registro conocido de una máquina de vapor en el manuscrito de Herón de Alejandría titulado Spiritalia seu Pneumatica. Los aparatos allí descritos no se sabe con certeza si fueron obra del ingenio de Herón porque él mismo dice en su obra que su intención no es otra que recopilar las máquinas que ya eran eran conocidas y añadir las inventadas por él. Nada en el texto indica quien pudo ser el artícfice de los dispositivos descritos y se sospecha que muchos puedan ser en realidad obra de Ctesibio de quien Herón fue pupilo.

La proposición 11 de Pneumatica describe un altar hueco parcialmente lleno de agua sobre el que hay una figura por cuyo interior hay un tubo que termina sumergido en el agua. Al encender un fuego sobre el altar el aire de su interior se calienta impulsando el agua por el tubo que termina vertiéndose a través de la figura simulando una libación que finalmente sofoca el fuego. En la proposición 37 va un poco más allá y describe un mecanismo animado por el fuego para la apertura y el cierre automáticos de las puertas de un templo. En otras proposiciones describe mecanismo similares e incluso dos motores a reacción uno por aire caliente y otro por vapor de agua para hacer girar las figuras de un altar.

No se sabe a ciencia cierta si aquellas invenciones no pasaron de ser meros juguetes y aunque se ha supuesto que fueron empleadas para mover objetos en los templos durante los rituales no deja de sorprender el hecho de que desde los tiempos de Herón no se hayan encontrado evidencias de que el vapor se haya utilizado con un propósito práctico, aunque el conocimiento del poder del vapor no llegara a perderse como demuestra la descripción de Malmesbury del órgano de Reims que en 1120 se hacía sonar por el aire que escapaba de un depósito en el que era comprimido por agua calentada.

En 1825 el superintendente del Archivo de Simancas descubrió una publicación de 1695 que relataba que en 1543 Blasco de Garay, oficial de la marina española bajo el reinado de Carlos I, intentó impulsar un barco con ruedas de palas movidas por una máquina de vapor. Del supuesto motor no se tienen datos pero si fuera cierto el intento hubiera sido la primera vez que una máquina de vapor se utilizara con un propósito práctico.

En 1601, Giovanni Battista della Porta describe un aparato para elevar el agua por medio del fuego similar al descrito por Herón pero empleando vapor de agua para impulsar el líquido y en 1615 Salomón de Caus describe un aparato similar para hacer funcionar una fuente.

El común denominador de todos estos intentos es un tubo sumergido hasta prácticamente el fondo del recipiente de agua por donde ésta asciende al incrementarse la presión en la superficie libre del líquido, trabajos directamente relacionados con los estudios teóricos de Galileo, Torricelli, Pascal y Von Guericke sobre la presión atmosférica que condujeron a mediados del siglo XVII al abandono de la teoría del horror vacui.

La primera máquina fue inventada por Eduard Somerset, segundo marqués de Worcester, en 1663 y por su descripción es muy similar, conceptualmente, a la fuente de Caus, si bien de la máquina de Somerset se construyó un modelo en Vauxhall (cerca de Londres) en el castillo Rawlan en torno a 1665 con el propósito de elevar el agua a los pisos superiores de la construcción. Con las especificaciones técnicas escritas y las huellas dejadas en los muros del castillo Dircks —biógrafo de Somerset— pudo reconstruir la máquina construida en Vauxhall.

Sin embargo, Somerset no pudo atraer los capitales necesarios para producir y vender su máquina y murió en la probreza. Este es posiblemente el hecho de que se haya atribuido a Thomas Savery la invención de la máquina de Somerset sobre la que obtuvo una patente en 1698, según afirman varios autores, conociendo los trabajos de su predecesor y en el que influyó sin duda el proselitismo realizado por Savery quien no dejó pasar ocasión para mostrar su máquina. Entre ambos hay que mencionar a Samuel Morland, Maestro Mecánico en la corte de Carlos II y residente en Vauxhall que construyó y patentó máquinas diversas, entre ellas versiones mejoradas de la de Somerset sugiriendo Hutton que en realidad Savery pudo tener un mayor conocimiento de los trabajos de Morland que los del propio Somerset.

A pesar de todo la máquina de Savery se introdujo en las minas inglesas de forma muy limitada por el riesgo de explosión debido a un incremento incontrolado de la presión en la máquina. Desaguliers relata que un trabajador ignorante de la naturaleza de la máquina a la que él había añadido una válvula de seguridad inventada años antes por Denis Papin «...colgó el peso en el extremo de la romana para obtener más vapor y trabajar más deprisa y añadió además un hierro muy pesado con consecuencias fatales, el vapor no fue capaz de levantar semejante contrapeso y acumulándose en el interior de la caldera provocó una gran explosión que acabó con la vida del pobre hombre.» Probablemente sea éste el primer «accidente laboral» del que se tiene constancia.

A diferencia de los dispositivos anteriores en los que el vapor actúa sobre la propia superficie libre del agua para impulsarla Huygens diseña en 1680 un aparato de pistón en el que el fluido es el aire caliente producido en una explosión que al enfriarse y contraerse arrastra el émbolo elevando un peso. Años más tarde Papin (1690) sustituye el aire por vapor de agua e incluso en una modificación posterior (1695) diseña un horno y generador de vapor de gran eficencia con el que logra importantes ahorros de combustible y hasta cuatro golpes del pistón por minuto. Sin saberlo Papin se encontraba muy cerca de desarrollar la máquina de vapor, sin embargo, Leibniz en 1705 le hace llegar un dibujo de la máquina de Savery y dos años más tarde diseña un nuevo tipo de máquina para elevar el agua, modificación de la de Savery, en la que abandona el modelo de Huygens lo que supuso un evidente retroceso.

Máquina de compresión o vacío

En los albores del siglo XVIII todos los elementos necesarios de la máquina de vapor habían sido inventados y aplicados exitosamente con diferentes propósitos y la naturaleza de la presión atmosférica y de la presión de los gases era comprendida, así como se conocía el vacío y la forma de obtenerlo mediante la condensación del vapor. Faltaba solamente el ingeniero que combinara los conocimientos prácticos y teóricos disponibles en una máquina que fuera capaz de aprovechar el poder del vapor de forma económica y éste fue Thomas Newcomen quien con su ayudante John Calley inventó una nueva máquina que denominó Máquina de vapor atmosférica (1705).

Funcionamiento de la máquina de Newcomen. Un contrapeso tira del pistón elevándolo mientras por la válvula V abierta penetra el vapor de agua en el interior del cilindro. Al llegar arriba, la válvula V se cierra y la V' se abre inyectándose agua para condensar el vapor; el vacío creado en el interior del cilindro permite que la presión atmosférica actúe sobre el pistón haciéndolo descender y generando trabajo. A través de la válvula V'' se drena el agua y se repite el ciclo.

La máquina constaba de un generador de vapor, cilindro y pistón donde se condensaba el vapor inicialmente mojando su superficie con agua fría y posteriormente inyectando además en su interior un chorro de agua y consiguiendo así hasta 10 o 12 golpes por minuto. El émbolo movía a su vez a través de un mecanismo de palanca las bombas que se empleaban en el agotamiento —extracción de agua— de las minas. Salvo la automatización de las válvulas introducida por el joven Potter, la máquina de Newcomen no sufrió modificaciones de importancia durante años. Más tarde John Smeaton estudió experimentalmente las proporciones más adecuadas de la máquina de Newcomen determinando que los cilindros debían ser de mayor longitud que los que se venían empleando y que por lo general las calderas eran demasiado pequeñas. En 1774 construyó en Long Benton la primera máquina de este tipo.

A mediados del siglo XVIII la máquina de Newcomen se utilizaba extensivamente en los distritos mineros de Inglaterra y se había exportado a otros países europeos sin embargo el elevado consumo de combustible que exigía su funcionamiento dificultó su aplicación en otras actividades industriales o en el suministro de agua potable, a pesar de ello, incluso despues de la invención de Watt se siguieron construyendo.

Máquina de expansión

Auspiciado por Joseph Black ocupado en las investigaciones que le conducirían al descubrimiento del calor latente, James Watt se propuso mejorar la máquina de Newcomen descubriendo en el curso de sus experimentos que el vapor era una reserva de calor mucho más vasta que el agua y comprendiendo que era necesario limitar todas las pérdidas de calor que se producían en la artesanal máquina de Newcomen para disminuir el consumo de combustible, principal handicap de estas máquinas. Analizando el problema identificó las pérdidas debidas al propio cilindro, a la práctica de enfriar el vapor para lograr el vacío necesario para mover la máquina y a la presión residual del vapor. En sus experimentos posteriores, verdaderos trabajos científicos, llegó a las conclusiones siguientes que fueron objeto de la patente de 1769:

  1. Mantener el cilindro a la misma temperatura que el vapor que entra en su interior; recubriéndolo con materiales aislantes, rodeándolo con el vapor u otros cuerpos calientes y evitando que el agua u otras sustancias más frías que el vapor entren en contacto con él o penetren en su interior.
  2. En máquinas de condensación total o parcial, ésta se hará en depósitos distintos del cilindro —condensadores— que deberán mantenerse al menos tan fríos como el aire que circunda la máquina empleando agua u otros cuerpos fríos.
  3. El aire y otros gases no condensables se extraerán de cilindro y condensadores mediante bombas accionadas por la propia máquina u otros medios.
  4. Se aprovecha la fuerza expansiva del vapor para impulsar el pistón de igual modo que la presión atmosférica se emplea en los motores térmicos actuales [máquina de Newcomen]. Si no se dispone de agua en cantidad las máquinas pueden operarse únicamente por la fuerza del vapor descargándolo luego a la atmosfera [máquinas de escape libre].

Los dos primeros puntos anticipan con medio siglo de adelanto las conclusiones de los trabajos de Sadi Carnot referentes al rendimiento de las máquinas térmicas cuyo máximo se obtiene mediante el denominado ciclo de Carnot cuya caraterística es que los intercambios de calor se hacen a temperatura constante entre los focos caliente y frío, tal como se desprende de las consideraciones de Watt, aunque en la práctica las máquinas de vapor funcionen por consideraciones económicas según el ciclo de Rankine, modificación del anterior.

En los dos últimos Watt propone aprovechar el impulso del vapor para accionar el pistón. En realidad sus primeras máquinas no pueden stricto sensu calificarse como máquinas de expansión ya que en ellas el vapor si bien empuja el cilindro lo hace sin caída de presión, de hecho un importante inconveniente de éstas máquinas era que al no decaer la presión del vapor introducido en el cilindro actuaba sobre el pistón una fuerza constante que le animaba de una movimiento uniformemente acelerado produciéndose fuertes golpes en el final de carrera con las consiguientes vibraciones y posibilidad de rotura de los elementos de la máquina.

Inicialmente los derechos de la patente eran propiedad de Watt y de John Roebuck quien financió los experimentos pero tras una serie de dificultades económicas Roebuck finalmente transmitió sus derechos a Matthew Boulton. Años más tarde se constituiría formalmente la firma Boulton & Watt que llevó a la práctica ésta y otras invenciones de Watt. La primera máquina con condensador se construyó en 1774 en Kinneil, cerca de Boroughstoness, fecha que muchos autores tienen por la de la invención de la máquina de vapor.

En 1781 patentan el engranaje planetario para tranformar el movimiento alternativo del pistón en movimiento de rotación dada la imposibilidad de emplear el mecanismo de biela-manivela patentado antes por Wasborough.

Pero el condensador no permitió solamente triplicar el rendimiento de la máquina de Newcomen si no que además propició que Watt cayera en la cuenta de que era posible aprovechar la expansión del vapor para mover el cilindro diminuyendo la cantidad de vapor empleada en cada ciclo, no en vano, se podía escuchar el ruido que hacía el vapor a presión cuando finalizada la carrera se precipitaba al condensador.

Máquina de Watt de expansión y simple efecto. (1) En el punto muerto superior se abre la válvula de admisión (V) entrando el vapor en el cilindro empujándolo al tiempo que vierte el vapor a baja presión del ciclo anterior al condensador a través de la válvula de escape (V'). A un cuarto de carrera (2) la válvula de admisión se cierra comenzando la expansión del vapor hasta el punto muerto inferior (3). Cerradas ambas válvulas se abre la de transferencia (V'') que comunica ambas caras del pistón pasando el vapor de la parte superior del cilindro a la inferior mientras el contrapeso arrastra el pistón en su movimiento ascendente (4). En todo momento el cilindro se encuentra rodeado por vapor caliente para evitar su enfriamiento.

Finalmente en 1782 patenta la máquina de doble efecto, en la que el vapor actúa alternativamente sobre ambas caras del pistón, y la expansión del vapor afirmando que usualmente lo mejor era cortar la admisión del vapor (momento a partir del cual será su expansión la que empuje el cilindro) se hiciera a un cuarto de carrera. En dicha patente incluyó métodos para igualar la presión del vapor durante la expansión dado que a medida que éste se expandía disminuía la fuerza actuante sobre el pistón, sin embargo no tardó mucho tiempo en abandonar sus ideas convenciéndose de que la mejor manera de regularizar el movimiento del eje era utilizando un volante de inercia tal como propuso Fitzgerald (tomando la idea de Papin) aunque fuera patentado por Wasborough.

Las máquinas de expansión de doble efecto se convirtieron en el modelo universal aunque aun a principios del siglo XX quedaban máquinas de simple efecto funcionando en Cornwall y otras localidades para el agotamiento de minas.

Máquina de expansión múltiple

Motor tándem de dos cilindros. Ambos pistones se mueven de forma solidaria y un único vástago acciona el eje. Los gases de escape del cilindro de alta presión (AP) son los que alimentan el cilindro de baja (BP).

Las máquinas de expansión múltiple o compound son aquellas en las que el vapor transita por varios cilindros consecutivos expandiéndose parcialmente en ellos, los primeros constaban de dos cilindros aunque también se construyeron máquinas de triple expansión y aun cuádruple explansión. Un caso particular es la disposición en tandem en la que ambos pistones están unidos moviéndose al unísono.

No está muy claro a quien se debe atribuir la invención de la máquina compound ya que aunque el hecho indiscutible es que fue patentada en 1771 por Jonathan Hornblower ya en 1779 se había propuesto una máquina de dos cilindros y Watt patentó en 1782 una máquina de cilindros gemelos en la que éstos podían actuar de forma conjunta o independiente según se deseara. En palabras del propio Watt refiriéndole a Boulton la patente de Hornblower «no es más que nuestra máquina de dos cilindros operando bajo el principio de expansión». Sea como fuere Watt pudo impedir que la máquina de Hornblower se llevara a la práctica al tener asegurada su patente sobre la condensación y acusado y condenado Hornblower por infringir los derechos de la patente de 1769 tuvo que hacer frente a los elevados costes legales y fue condenado a pena de prisión.

En 1804, vencida la patente de Boulton & Watt, Arthur Woolf reintrodujo la máquina de Hornblower con vapor a alta presión y el condensador de Watt construyendo la primera de su tipo en Londres.

Configuraciones

En la figura siguiente se muestran configuraciones típicas que se emplearon para diferentes máquinas.

Máquina de vapor configuraciones.jpg
  • A: Balancines laterales.
  • B: Balancín. Configuración adoptada por Newcomen y Watt.
  • C: Balancín libre. Utilizado por Murdoch, asistente de Watt, en su modelo de locomotora de 1784, posteriormente la misma configuración sería utilizada por Oliver Evans.
  • D: Oscilante. Inventada por Murdoch en 1785.
  • E: De campanario.
  • F: Diagonal o inclinada.
  • G: Embolo anular. Patentado el de un cilindro por Watt en 1784, y en 1845 por John Penn el de dos cilindros.
  • H: Vertical invertida.

Impacto

Si bien inicialmente la preocupación que animaba las propuestas de los ingenieros fue solucionar el problema del agotamiento de minas toda vez que a medida que se explotaban era necesario profundizar más en ellas para extraer los metales o el carbón, una vez que las máquinas desarolladas mejoraron su eficiencia y funcionamiento, su uso se extendió a otras aplicaciones pero no sin dificultad. De las máquinas de Newcomen de las que se estima llegaron a construirse en torno a 130 la mayoría se usó en actividades mineras o en el abastecimiento de agua de Londres.

En 1784 Watt patentó el martillo de vapor y ése mismo año comenzaron las obras de un molino de trigo en Londres, plan acariciado por Boulton para promocionar su máquina que aun no había conseguido consolidarse en el mercado. En el periodo 1775-1800 Boulton y Watt construyeron 321 máquinas número que no difiere mucho de las construidas en el mundo ya que la piratería tuvo, no sin esfuerzo de Boulton y Watt que litigaron a menudo para defender su monopolio, escasa importancia. Al margen de las actividades mineras y la elevación de agua en diferentes industrias la máquina de vapor encajó con relativa facilidad en las nuevas actividades así, la industria de la lana, labor doméstica tradicional y aun por industrializar tan sólo usaba nueve máquinas, mientras la industria del algodón y auxiliares (secado, blanqueado, estampación, etc.) empleaba 84 máquinas.

También fue de importancia su uso en la industria pesada del acero para el soplado de hornos y el accionamiento de martillos. Estas industrias que necesitaban grandes cantidades de carbón para la fundición de los metales se ubicaban en los distritos mineros donde no siempre existían cursos de agua que suministraran la energía necesaria de forma económica. En estos casos la máquina de vapor era la opción lógica como demostraba la experiencia de John Wilkinson pionero en la utilización de las máquinas de Boulton y Watt en la industria del acero.

En la industria de la cerveza la introducción de la máquina de vapor, en torno a 1790, provocó una importante concentración de la producción, antes muy distribuida, hasta el punto de que en 1796 sólo había 12 fábricas de importancia. Procesos de concentración de capitales se produjeron también en las demás industrias citadas, y aunque en el resto de actividades la implantación de la máquina de vapor era aun testimonial todas ellas se verían afectadas por su introducción en el transporte durante el siglo XIX, primero en el ferrocarril y posteriormente en la navegación.

Curiosamente y al hilo de lo apuntado la implantación de la máquina de vapor no resultó en la deslocalización de las industrias que movidas por un motor que no precisaba de cursos de agua o vientos regulares podía instalarse donde quisiera, más bien al contrario, las deficientes comunicaciones existentes provocaron la concentración industrial en los distritos mineros abandonándose los talleres de las ciudades. La disponibilidad de combustible fue el criterio predominante de localización industrial hasta bien entrado el siglo XIX cuando el ferrocarril y el barco de vapor cambió la situación y permitió que las industrias se trasladaran a las ciudades.

Una de las mayores dificultades que encontraron Boulton y Watt fue la ausencia de mano de obra cualificada para el diseño, construcción y operación de las máquinas de vapor, no en vano, Smeaton llegó a afirmar que la máquina de Watt no podría construirse por su gran complejidad. El propio Watt trazó durante mucho tiempo los planos de las máquinas que se iban a construir y el término «ingeniero», hoy comun, era desconocido a mediados del siglo XVIII y no se publicó libro o tratado que lo llevara en su título. Además el país, envuelto en guerras, alistaba a los jóvenes impidiendo su incorporación a las fábricas. Para paliar estos problemas la fábrica de Boulton y Watt adoptó el incipiente modelo capitalista caracterizado por la división del trabajo y la jerarquía. Sus trabajadores cualificados, muchos escoceses, sirvieron luego en los talleres que proliferaron tras vencer la patente de Watt en 1800.

Referencias

Artículos relacionados

Bibliografía

  • Robert H. Thurston, A History of the Growth of the Steam-Engine, Nueva York, 1878 [1]
  • John Lord, Capital and Steam Power 1750-1800, Londres, 1923 [2].
  • Diccionario Enciclopédico Hispano-Americano, TomoXII, pp. 343-345. Montaner y Simón editores, Barcelona, 1893.

Otras fuentes de información

Notas