¿Por qué las locomotoras de vapor tienen mecanismos de vástago de pistón en lugar de turbinas de vapor más potentes y eficientes?
Una máquina de vapor es una máquina de energía alternativa que convierte la energía del vapor en trabajo mecánico. La aparición de la máquina de vapor provocó la Revolución Industrial en el siglo XVIII. Hasta principios del siglo XX, siguió siendo el motor principal más importante del mundo, y más tarde fue dando paso gradualmente al motor de combustión interna y a la turbina de vapor.
Una máquina de vapor requiere una caldera para hervir agua y producir vapor a alta presión. Este tipo de calderas pueden utilizar como fuente de calor leña, carbón, gasóleo o gas natural, o incluso residuos combustibles. La expansión del vapor empuja al pistón a realizar trabajo.
La primera máquina de vapor del mundo fue la Aeolipile inventada por el antiguo matemático griego del siglo I, Héroe de Alejandro. Este fue el prototipo de la máquina de vapor.
Alrededor de 1679, el físico francés Dennis Papen hizo un modelo funcional de la primera máquina de vapor después de observar el vapor que se escapaba de su olla a presión. El contemporáneo Samuel Moran también propuso la máquina de vapor.
Thomas Sevilla construyó una de las primeras máquinas de vapor industriales en 1698, y Thomas Newcomen construyó una de las primeras máquinas de vapor industriales en 1712. Ambos hicieron sus propias contribuciones al desarrollo de las máquinas de vapor. En 1807, Robert Fulton fue el primero en utilizar con éxito una máquina de vapor para impulsar un barco. Utilizando la teoría científica, Watt descubrió gradualmente el problema de la máquina de vapor. De 1765 a 1790, realizó una serie de inventos, como condensadores separados, capas aislantes exteriores de cilindros, pistones lubricados con aceite, engranajes planetarios, mecanismos de enlace paralelo, reguladores de velocidad centrífugos, válvulas de mariposa, manómetros, etc. , que aumentó la eficiencia de la máquina de vapor a más de tres veces la de la máquina Newcomen original, y finalmente inventó la máquina de vapor industrial.
Desde finales de 2016 hasta finales de 2017, la industria minera británica, especialmente las minas de carbón, se había desarrollado a una escala considerable. Era difícil cumplir con los requisitos de drenaje de aguas subterráneas dependiendo de mano de obra y animales. Sólo había energía, y en el lugar había carbón abundante y barato como combustible. Las necesidades realistas impulsaron a muchas personas en Gran Bretaña, incluidos Papin, Savery y Newcomen, a dedicarse a la exploración y experimento del "poder del fuego para levantar agua".
Las máquinas de vapor de vacío originales se utilizaban para bombear agua de las minas. La máquina de vapor de Newcomen introdujo vapor en un cilindro, luego cerró una válvula y vertió agua fría en el cilindro, creando un vacío a medida que el vapor se condensaba. La presión del aire en el otro lado del pistón empuja el pistón. Se introduce un poste profundamente en la mina para accionar una bomba de agua. El movimiento del pistón de la máquina de vapor se transmite a través de esta varilla al pistón de la bomba, que extrae agua del pozo.
La primera gran mejora es separar el cilindro de vapor y el cilindro de condensación a través de una válvula. Watt inventó esta mejora en Birmingham. Esta mejora aumentó la eficiencia de la máquina de vapor. La siguiente mejora fue operar la válvula automáticamente.
Estas primeras máquinas de vapor de vacío tenían una eficiencia limitada pero eran relativamente seguras porque sus presiones eran relativamente bajas y las máquinas se contraían hacia adentro en lugar de explotar hacia afuera para evitar daños materiales. Su eficiencia está limitada por la presión del aire externo, la deformación del cilindro, la eficiencia de combustión y ebullición y la capacidad de condensación. La eficiencia máxima teórica está limitada por la temperatura de ebullición relativamente baja del agua a presión atmosférica ordinaria. El uso de vapor a alta temperatura y alta presión mejora enormemente la eficiencia de las máquinas de vapor. Pero este tipo de máquina de vapor es mucho más peligrosa que una máquina de vapor de vacío. Las explosiones de calderas y maquinaria provocaron numerosos accidentes graves. La válvula de seguridad aporta una gran mejora aquí. Cuando la presión es demasiado alta, la válvula de seguridad libera aire y reduce la presión. Pero la verdadera garantía de seguridad depende únicamente de la experiencia y las normas de seguridad en la construcción, operación y mantenimiento.
La primera bomba de agua a vapor práctica del mundo fabricada por Savery recibió una patente británica llamada "Miner's Friend" en 1698. Primero llenó un recipiente con forma de huevo con vapor, luego cerró la válvula de entrada de vapor y roció agua fría fuera del recipiente para condensar el vapor dentro del recipiente y formar un vacío. Abra la válvula de entrada de agua y el agua del fondo de la mina será succionada hacia el contenedor a través de la tubería de entrada de agua bajo la acción de la presión atmosférica; cierre la válvula de entrada de agua, vuelva a abrir la válvula de entrada de vapor y use la presión del vapor para presione el agua en el recipiente a través de la válvula de drenaje. Cuando el agua del recipiente se drene y se llene de vapor, cierre la válvula de entrada de vapor y la válvula de drenaje y rocíe agua nuevamente para condensar el vapor.
En este ciclo repetido, los dos recipientes con forma de huevo funcionan alternativamente para drenar el agua continuamente.
La bomba de agua de Savery se basa en la succión al vacío para bombear agua a una profundidad de no más de seis metros. Para bombear agua desde una mina que se encuentra a decenas de metros de profundidad, es necesario instalar una bomba de agua en lo profundo de la mina y usar alta presión de vapor para bombear el agua a la superficie. Esto era sin duda difícil y peligroso en ese momento.
Newcomen y su asistente Calley inventaron una máquina de vapor atmosférica en 1705 para accionar una bomba de agua independiente, que recibió el nombre de máquina de vapor atmosférica de Newcomen.