Máquina de vapor

Unha máquina de vapor é un motor de combustión exterior que transforma a enerxía dunha certa cantidade de vapor de auga en traballo mecánico.

Máquina de vapor en funcionamento. A frecha da esquerda, en cor vermella, indica a entrada do vapor quentado (na válvula seguinte pódese pechar o fluído de vapor para deter a máquina -dependendo da presión-). A frecha da dereita, en cor azul, indica por onde sae o vapor xa pasado o circuíto.

En esencia o ciclo de traballo realízase en dúas etapas: xérase previamente o vapor de auga nunha caldeira cerrada, por quentamento directo mediante a queima dalgún combustible —carbón ou madeira nos seus inicios, derivados do petróleo e gas natural con posterioridade— o vapor a presión introdúcese no cilindro arrastrando ó émbolo ou pistón na súa expansión; empregando un mecanismo de biela-manivela este pódese transformar nun movemento de rotación. Unha vez alcanzado o final de carreira o émbolo retorna á súa posición inicial expulsando o vapor de auga. O ciclo contrólase mediante unha serie de válvulas de entrada e saída que regulan a renovación da carga, é dicir, os fluxos do vapor cara e dende o cilindro.

Tren de vapor

Os motores de vapor empregáronse habitualmente para mover máquinas e aparatos tan diversos como bombas, máquinas locomotoras, motores mariños etc. durante a Revolución Industrial en cuxo desenvolvemento tivo un papel relevante. As modernas máquinas de vapor utilizadas na xeración de enerxía eléctrica non son xa de émbolo (o desprazamento positivo) como as descritas senón que son turbomáquinas, é dicir, atravesadas por un fluxo continuo de vapor . Estas turbomáquinas reciben a denominación xenérica de turbinas de vapor. Na actualidade a máquina de vapor alternativa é un motor moi pouco usado salvo para servizos auxiliares xa que se viu desprazada especialmente polo motor eléctrico na maquinaria industrial e polo de combustión exterior no transporte.

Evolución histórica

Moitos foron os autores que tentaron determinar a data da invención da máquina de vapor atribuíndoa a tal ou cal inventor, intento van xa que a historia do seu desenvolvemento está chea de nomes propios. Dende a recompilación de Herón ata a sofisticada máquina de Watt son multitude as melloras que en Inglaterra e especialmente no contexto dunha incipiente Revolución industrial nos séculos XVII e XVIII conduciron sen solución de continuidade dende os rudimentarios primeiros aparatos sen aplicación práctica á invención do motor universal que chegou a implantarse en tódalas industrias e utilizarse no transporte desprazando os tradicionais motores como o animal de tiro, o muíño o a propia forza do home.

Primeiras tentativas

Entre as reliquias da civilización exipcia encontramos o primeiro rexistro coñecido dunha máquina de vapor no manuscrito de Herón de Alexandría titulado Spiritalia seu Pneumatica. Os aparatos alí descritos non se sabe con certeza se foron obra do enxeño de Herón porque el mesmo di na súa obra que a súa intención non é outra que recompilar as máquinas que xa eran coñecidas e engadir as inventadas por el. Nada no texto indica quen puido ser o artífice dos dispositivos descritos e sospéitase que moitos poidan ser en realidade obra de Ctesibio de quen Herón foi pupilo.

A proposición 11 de Pneumatica describe un altar oco parcialmente cheo de auga sobre o que hai unha figura por cuxo interior hai un tubo que termina mergullado na auga. Ó acender un lume sobre o altar o aire do seu interior quéntase impulsando a auga polo tubo que termina vertendo a través da figura simulando unha libación que finalmente sufoca o lume. Na proposición 37 vai un pouco máis alá e describe un mecanismo animado polo lume para a apertura e o peche automáticos das portas dun templo. Noutras proposicións describe mecanismos similares e incluso dos motores a reacción un por aire quente e outro por vapor de auga para facer xirar as figuras dun altar.

Non se sabe con certeza se aquelas invencións non pasaron de ser meros xoguetes e inda que se supuxo que foron empregadas para mover obxectos nos templos durante os rituais non deixa de sorprender o feito de que dende os tempos de Herón non se encontrasen evidencias de que o vapor se utilizase cun propósito práctico, inda que o coñecemento do poder do vapor non chegase a perderse como demostra a descrición de Malmesbury do órgano de Reims que en 1120 se facía soar polo aire que escapaba dun depósito no que era comprimido por auga quentada.

En 1601, Giovanni Battista dola Porta describe un aparato para elevar a auga por medio do lume similar ó descrito por Herón pero empregando vapor de auga para impulsar o líquido e en 1615 Salomón de Caus describe un aparato similar para facer funcionar unha fonte.

O común denominador de todos estes intentos é un tubo mergullado ata practicamente o fondo do recipiente de auga por onde esta ascende ó incrementarse a presión na superficie libre do líquido, traballos directamente relacionados cos estudos teóricos de Galileo, Torricelli, Pascal e Von Guericke sobre a presión atmosférica que conduciron a mediados do século XVII ó abandono da teoría do horror vacui.

A Thomas Savery débese a primeira máquina que funcionou con éxito, e que patentou en 1698, a máquina de Savery introduciuse nas minas inglesas de forma moi limitada polo risco de explosión debido a un incremento incontrolado da presión na máquina. Desaguliers relata que un traballador ignorante da natureza da máquina á que el engadira unha válvula de seguridade inventada anos antes por Denis Papin «...colgou o peso no extremo da romana para obter máis vapor e traballar máis á présa e engadiu amais un ferro moi pesado con consecuencias fatais, o vapor non foi capaz de levantar semellante contrapeso e acumulándose no interior da caldeira provocou unha grande explosión que acabou coa vida do pobre home.» Probablemente sexa este o primeiro «accidente laboral» do que se ten constancia.

A diferenza dos dispositivos anteriores nos que o vapor actúa sobre a propia superficie libre da auga para impulsala Huygens deseña en 1680 un aparato de pistón no cal o fluído é o aire quente producido nunha explosión que ó arrefriarse e contraerse arrastra o émbolo elevando un peso. Anos máis tarde Papin (1690) substitúe o aire por vapor de auga e incluso nunha modificación posterior (1695) deseña un forno e xerador de vapor de grande eficiencia co que logra importantes aforros de combustible e ata catro golpes do pistón por minuto. Sen sabelo Papin encontrábase moi cerca de desenvolver a máquina de vapor, así a todo, Leibniz en 1705 lle fai chegar un debuxo da máquina de Savery e dous anos máis tarde deseña un novo tipo de máquina para elevar a auga, modificación da de Savery, na cal abandona o modo de Huygens o que supuxo un evidente retroceso.

Máquina de compresión ó baleiro

Nos albores do século XVIII tódolos elementos necesarios da máquina de vapor foran inventados e aplicados exitosamente con diferentes propósitos e a natureza da presión atmosférica e da presión dos gases era comprendida, así como se coñecía o baleiro e a forma de obtelo mediante a condensación do vapor. Faltaba soamente o enxeñeiro que combinara os coñecementos prácticos e teóricos dispoñibles nunha máquina que fose capaz de aproveitar o poder do vapor de forma económica e este foi Thomas Newcomen quen co seu axudante John Calley inventou unha nova máquina que denominou Máquina de vapor atmosférica (1712).

A máquina constaba dun xerador de vapor, cilindro e pistón onde se condensaba o vapor inicialmente mollando a súa superficie con auga fría e posteriormente inxectando no seu interior un chorro de auga e conseguindo así ata 10 o 12 golpes por minuto. O émbolo movía á súa vez a través dun mecanismo de panca as bombas que se empregaban na extracción da auga das minas. Salvo a automatización das válvulas introducida polo xove Potter, a máquina de Newcomen non sufrió modificacións de importancia durante anos. Máis tarde John Smeaton estudou experimentalmente as proporcións máis adecuadas da máquina de Newcomen determinando que os cilindros debían ser de maior lonxitude cós que se viñan empregando e que polo xeral as caldeiras eran demasiado pequenas. En 1774 construíu en Long Benton a primeira máquina deste tipo.

A mediados do século XVIII a máquina de Newcomen empregábase extensivamente nos distritos mineiros de Inglaterra e exportárase a outros países europeos, así a todo o elevado consumo de combustible que esixía o seu funcionamento dificultou a súa aplicación noutras actividades industriais ou na subministración de auga potable, a pesar diso, incluso despois da invención de Watt seguíronse construíndo.

Máquina de expansión

Auspiciado por Joseph Black ocupado nas investigacións que lle conducirían ó descubrimento da calor latente, James Watt propúxose mellorar a máquina de Newcomen descubrindo no curso dos seus experimentos que o vapor era unha reserva de calor moito máis vasta cá auga e comprendendo que era necesario limitar todas as perdas de calor que se producían na artesanal máquina de Newcomen para diminuír o consumo de combustible, principal hándicap destas máquinas. Analizando o problema identificou as perdas debidas ó propio cilindro, á práctica de arrefriar o vapor para lograr o baleiro necesario para mover a máquina e á presión residual do vapor. Nos seus experimentos posteriores, verdadeiros traballos científicos, chegou á conclusión de que o cilindro debía manterse á mesma temperatura có vapor.

Segundo as súas palabras, mentres daba un paseo un espléndido sábado pola tarde e meditaba sobre a máquina, unha idea lle veu á cabeza como o vapor é un corpo elástico precipitaráse no baleiro, e, se se comunicara o cilindro cun depósito exhausto, precipitaríase no seu interior onde podería condensarse sen arrefriar o cilindro. Así a todo o desenvolvemento e perfeccionamento do condensador separado deixou a Watt na ruína e en 1765 viuse obrigado a buscar emprego e abandonar o seu traballo ata que en 1767 John Roebuck accedeu a financiar os seus experimentos e a explotación comercial da máquina a cambio das dúas terceiras partes dos beneficios da patente que se obtivese. En 1768 Watt construíu unha máquina que operaba de maneira satisfactoria, aínda imperfecta, e presentou ó ano seguinte a solicitude da patente. Tras diferentes avatares económicos Roebuck desprendeuse da súa parte do negocio en favor de Matthew Boulton e xuntos Boulton & Watt finalmente levarían á práctica a invención de Watt e outros perfeccionamentos. A primeira máquina construíuse en Kinneil, cerca de Boroughstoness en 1774. A partir de entón a historia da máquina de vapor será a da firma Boulton & Watt e case tódalas melloras que se introduzan nela serán obra do propio Watt, entre outras, o paralelogramo de Watt, a expansión do vapor, a máquina de dobre efecto (na que o vapor actúa alternativamente sobre ambas caras do pistón) etc.

A máquina de vapor en España

Máquina de vapor de Watt do vestíbulo da Escola Técnica Superior de Enxeñeiros Industriais de Madrid

Un dos episodios máis interesantes da máquina de vapor en España deuse en 1783 cando o Conde de Floridablanca encomendou a Tomás Pérez e Estala, cerraxeiro de profesión, tarefas de inspección e asesoramento técnico, unha especie de espionaxe industrial moi propio da época. En 1786 negociou con Wilkinson, en Inglaterra, a adquisición clandestina das pezas máis importantes de tres máquinas de vapor.