Aplicación de los principios de la máquina 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. [2]
Alrededor de 1679, el físico francés Denis Papin hizo un modelo funcional de la primera máquina de vapor después de observar el vapor que se escapaba de su olla a presión. Su contemporáneo Samuel Moran también propuso la idea de una máquina de vapor. [2]
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 contribuciones al desarrollo de las máquinas de vapor.
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 prácticas impulsaron a muchas personas, como Savery y Newcomen en el Reino Unido, a dedicarse a la exploración y experimentación del "poder del fuego para levantar agua".
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. La máquina de vapor se popularizó por primera vez en Gran Bretaña y luego en el continente europeo, y todavía se fabricaban modificaciones hasta principios del siglo XIX. 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 eficiencia térmica de la máquina de vapor atmosférica de Newcomen es muy baja. Esto se debe principalmente a que después de que el vapor ingresa al cilindro, se condensa en la pared del cilindro que acaba de ser enfriada con agua, perdiendo mucho calor. Sólo se promoverá en zonas productoras de carbón con precios bajos.
Watt utilizó la teoría científica para descubrir poco a poco los fallos de esta máquina de vapor. En 1765 inventó la máquina de vapor con el condensador y la pared del cilindro separados, y obtuvo la patente británica en 1769. 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.
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. En los primeros días, las máquinas de vapor de Watt todavía usaban barras de equilibrio y mecanismos de tirantes para accionar bombas de agua. Para limpiar el condensador de condensado y aire, Watt instaló una bomba de aire. También instaló un sándwich en la pared exterior del cilindro y utilizó vapor para calentar la pared del cilindro para reducir las pérdidas por condensación.
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.
El trabajo creativo de Watt condujo al rápido desarrollo de la máquina de vapor. Convirtió una máquina que sólo podía elevar agua en una máquina de vapor que podía usarse ampliamente. La eficiencia térmica de la máquina de vapor se duplicó, reduciendo en gran medida el consumo de carbón. Por tanto, Watt fue el reformador de la máquina de vapor.
Desde finales del siglo XVIII, las máquinas de vapor se han utilizado ampliamente no sólo en la minería, sino también en la fundición, la industria textil, la fabricación de maquinaria y otras industrias. Aumentó la producción textil británica cinco veces en más de 20 años (de 1766 a 1789), proporcionó al mercado una gran cantidad de bienes de consumo, aceleró la acumulación de fondos y planteó necesidades urgentes para la industria del transporte.
El experimento del uso de máquinas de vapor como potencia de propulsión en barcos comenzó en 1776. Después de una mejora continua, Fulton de los Estados Unidos construyó el primer barco práctico con motor de vapor de propulsión de rueda abierta, "Clermont". Desde entonces, las máquinas de vapor se han utilizado para la propulsión de barcos durante más de cien años.
En 1800, Trevithick de Inglaterra diseñó una máquina de vapor de alta presión que podía instalarse en la carrocería de un automóvil más grande. En 1803, lo utilizó para impulsar una locomotora que circulaba por una vía circular y consiguió que las personas a las que les gustaba la novedad montaran en él para recargar sus baterías. Este es el prototipo de la locomotora. El británico Stephen Sun continuó mejorando las locomotoras y creó la locomotora de vapor "Rocket" en 1829. La locomotora arrastraba un vagón que transportaba a 30 pasajeros a una velocidad de 46 kilómetros por hora, atrayendo la atención de varios países y marcando el comienzo de la era ferroviaria.
A finales del siglo XIX, con el auge de las aplicaciones de energía eléctrica, las máquinas de vapor se utilizaban antiguamente como principal maquinaria motriz de las centrales eléctricas. En 1900, había una central eléctrica de vapor en Nueva York, Estados Unidos, con una potencia única de cinco megavatios.
El desarrollo de las máquinas de vapor alcanzó su punto máximo a principios del siglo XX. Tiene las ventajas de par constante, velocidad variable, reversibilidad, operación confiable y fabricación y mantenimiento convenientes. Por lo tanto, se usa ampliamente en centrales eléctricas, fábricas, locomotoras, barcos y otros campos, especialmente en buques de guerra, convirtiéndose en el único motor principal. En ese tiempo.
En términos de transporte terrestre, la gente comenzó a desarrollar un vehículo que utiliza máquinas de vapor para impulsar vehículos que se muevan rápidamente. El primer tren con motor de vapor del mundo fue conducido por Richard Traveske de Gales el 21 de febrero de 804. El británico George Stephenson (1781-1848) fue el primero en lograr resultados revolucionarios.
Stephenson era hijo de un minero del carbón. Conocía desde pequeño las máquinas de vapor utilizadas para bombear agua en las minas, y más tarde decidió dedicarse a la invención y creación de herramientas de transporte.
En 1814, la primera locomotora de vapor "Blazer" desarrollada por él (llamada así en honor al general prusiano Blazer, que ayudó a los británicos en la lucha contra el ejército de Napoleón) se puso en funcionamiento con éxito.
El 27 de septiembre de 1825, Stephen Sun condujo personalmente la locomotora de vapor Voyager que co-diseñó y fabricó en el ferrocarril recién construido y logró el éxito. La aplicación de las máquinas de vapor en la industria del transporte llevó a la humanidad a la "era del tren" y amplió rápidamente el alcance de las actividades humanas.
Stephenson probó con éxito la locomotora Blazer en 1814, pero también expuso muchos problemas, como demasiado ruido, fuertes vibraciones y la posibilidad de que la máquina de vapor explotara en cualquier momento. Cuando el tren arrancó, se formaron nubes de humo y saltaron chispas cuando las ruedas rozaron los rieles, las personas sentadas en el vagón quedaron cubiertas de humo y quedaron inconscientes. Las llamas de la máquina de vapor quemaron todos los árboles cercanos.
Sin embargo, Stephenson no se desanimó y siguió mejorando. Instaló resortes amortiguadores debajo de los vagones, usó hierro forjado en lugar de arrabio como material de riel, colocó adoquines debajo de las traviesas, aumentó el número de ruedas en la parte delantera del vagón y del vagón e instaló una máquina de vapor en la parte delantera. del coche para reducir los daños en situaciones peligrosas.
En 1825, cuando Stephenson intentó hacer funcionar la locomotora Voyager, la situación había mejorado considerablemente. El "Voyager" arrastra 6 camiones de carbón y 20 turismos, con una carga de 90 toneladas y una velocidad de 24 kilómetros por hora. Esta espectacular escena atrajo a mucha gente a mirar. Había gente a ambos lados de la vía; otros a caballo y con banderas rojas caminaban delante del tren para despejar el camino. Con el sonido del tren anunció al mundo la llegada de la era ferroviaria.
En 1829, Stephenson produjo con éxito una locomotora tipo "cohete" más avanzada.
(El contenido anterior de "Stephen Sun y la locomotora de vapor" proviene del libro de texto de historia de la Universidad Normal de Beijing).
Herramientas de transporte
En 1769, Nicholas Joseph Junod demostró por primera vez con su "coche de vapor" la viabilidad de los coches de vapor autónomos. Este coche es el primero. El coche no es muy útil como vehículo, pero está bien para transportar aperos de labranza.
Aún a principios del siglo XX, los coches propulsados por vapor todavía podían competir con otras formas de conducción. La mayoría de los automóviles actuales funcionan con motores de combustión interna. La mayor desventaja de los coches con motor de vapor es que se necesitan al menos 30 segundos para obtener suficiente presión.