Maquina de vapor de James Watt, que impulsaría la Revolución Industrial
La Máquina Atmosférica de Newcomen
Quedamos en el artículo anterior en la invención de la Máquina de Vapor del español Jerónimo de Ayanz y Beaumont. Usando los conceptos de presión y vacío (aún cuando no se entendían muy bien en la época) el inventor fue capaz de usar vapor para drenar el agua de las minas. Gracias a ello pudo reabrir algunas minas cerradas en la región de Guadalcanal y logró un nivel considerable de comodidad económica. Por primera vez en más de milenio y medio, desde la invención de la primera Eolípila de Herón, el vapor tenía verdadera utilidad económica.
Sería un inglés quien diera el siguiente paso. Si bien muchas personas habían trabajado en encontrar nuevos usos para la fuerza del vapor (y fue de hecho un francés, Denis Papin, quien por primera vez mostró la fuerza que podía generarse usando un vacío y la presión atmosférica), fue Newcomen el primero en usar esta tecnología para generar no solo una fuerza, sino un movimiento continuo. Su máquina, presentada por primera vez en 1712, hacía uso de la diferencia de presiones entre el vapor condensado y la atmósfera para mover un pistón.
¿Cómo funcionaba esto? Bueno, Papin había realizado algunos experimentos que consistían en lo siguiente: un pistón ubicado en un tubo sellado tenía dos entradas, una de vapor (generado por una caldera) y una de agua fría. En primer lugar, se abría la válvula que dejaba entrar el vapor, y su presión empujaba el pistón hacia arriba.
En este momento se cerraba la válvula con vapor y se permitía la entrada de un chorro de agua fría. El contacto con el agua fría condensaba el vapor y generaba un vacío que hacía que la presión atmosférica descendiera con fuerza, permitiéndole al pistón (conectado con una polea) levantar pesos considerables.
Este mecanismo sería utilizado de manera masiva en las minas de carbón para mover las bombas, pero por fuera de este escenario su funcionamiento era muy costoso para justificarse. La máquina era extremadamente ineficiente en el uso de la energía, y una cantidad impresionante de calor se gastaba simplemente calentando el cilindro (que igual se enfriaría cada vez que se lanzara agua fría al interior para condensar el vapor). Sin embargo, poco a poco fue mejorando su eficiencia y se idearon maneras de que el mismo pistón abriera y cerrara las válvulas, retirando la necesidad de tener una persona empleada de manera permanente en esta posición.
Pero poco tiempo después la máquina de vapor de James Watt mejoraría de manera dramática la eficiencia y se convertiría en el eje de la creciente Revolución Industrial.
Animación que ilustra el funcionamiento de la máquina más simple de Newcomen
La máquina de vapor de James Watt
Si bien Watt presentó su primer diseño en 1776, lo cierto es que a lo largo de los años seguiría introduciendo mejoras, al punto que pasaría casi un siglo antes de que su diseño fuese sustituido de manera definitiva.
En esencia, la primera mejora que Watt le hizo a la Máquina de Newcomen fue separar un cilindro con el vapor y otro cilindro aparte para enfriar, y conectarlos. Al hacer esto el cilindro no se enfriaba y podría de inmediato comenzar a recibir vapor para un segundo golpe. Esto mejoró la rapidez en el funcionamiento de la máquina, que ya no tenía que “calentarse” antes de cada golpe, y prácticamente duplicó su eficiencia (el mismo trabajo por la mitad de carbón).
Pero las mejoras no quedarían allí. Watt también encontró una manera de aprovechar la presión interna del vapor, además de la presión atmosférica, y usando un sistema de cilindros dobles permitió que la máquina además de “jalar” pudiese “empujar” (es decir, en esencia, hacer fuerza en ambas direcciones). Esto le permitió construir las primeras máquinas de vapor giratorias, que permitirían por fin que los telares, aserraderos y otro tipo de producciones semejantes se ubicaran lejos de los ríos (hasta entonces eran dependientes de las y facilitando su uso para la generación de electricidad. ruedas de agua).
Sin embargo, no sería la de Watt la última máquina que usara vapor. Eventualmente su diseño cesaría, reemplazado por los motores de combustión interna y por las más eficientes turbinas de vapor desarrolladas casi un siglo después de su muerte.
La Turbina de Parsons
¿Recuerdan aquellos mecanismos que usaban el vapor de las chimeneas para girar una carne asada?
Pues bueno, este diseño (que había sido obsoleto por siglos) fue retomado por un británico llamado Charles Parsons y presentado, una vez más, en 1884.
Por supuesto, tenía muchísimas mejoras con respecto al anterior diseño de Taqi al-Dim. Estaba sellado, lo que significaba que toda la presión del vapor se concentraba en mover la turbina, y al contrario que la anterior máquina de Watt generaba movimiento circular de manera inmediata, permitiendo mover máquinas basadas en ruedas y facilitando la generación de electricidad. Para los países que carecen de localizaciones idóneas para plantas hidroeléctricas las turbinas de vapor generado a partir de carbón o de sustancias radiactivas es de lejos la manera más barata de generar energía eléctrica (bueno, lo era, pues las energías renovables cada vez son más baratas).
Turbina de vapor. Esos círculos que se ven ahí giran ante la presión del gas en el interior
Entretanto, la revolución a la máquina de vapor de Watt ha pasado casi al olvido, aunque nuevas iniciativas se encuentran buscando implementar diseños mejorados que sean capaces de aprovechar el calor residual de muchas industrias.
Parte 1
Fuentes:
- https://en.wikipedia.org/wiki/Steam_turbine#History
- https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_steam_engine
- https://es.wikipedia.org/wiki/Jer%C3%B3nimo_de_Ayanz_y_Beaumont
- https://en.wikipedia.org/wiki/Watt_steam_engine
Imágenes: 1: scotclans.com, 2: wikipedia.org, 3: siemens.com
