¿Cómo se inventaron las tres principales máquinas eléctricas?

La primera máquina de vapor del mundo fue un globo aerostático inventado por el antiguo matemático griego Héroe de Alejandro en el siglo I, pero era solo un juguete. 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. Por la misma época, a Samuel Moran también se le ocurrió la idea de una máquina de vapor. Thomas Sevilla en 1698, Thomas Newcomen en 1712 y James Watt en 1769 construyeron las primeras máquinas de vapor industriales y todos 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. Watt no fue el inventor de la máquina de vapor. Antes que él, hubo una máquina de vapor, la máquina de vapor Newcomen, hace mucho tiempo, pero consumía mucho carbón y era muy ineficiente. 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 moderna.

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 para drenar las aguas subterráneas dependiendo de la mano de obra y los animales. Sólo había energía, y en el lugar había carbón abundante y barato como combustible. Las necesidades realistas impulsaron a muchos británicos, incluidos Papin, Savery y Newcomen, a dedicarse a la exploración y experimento del "poder de 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 automáticamente las válvulas.

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 en el 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 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.

En 1764, el reparador de instrumentos británico James Watt notó esta deficiencia cuando estaba reparando el modelo de máquina de vapor Newcomen para la Universidad de Glasgow. En 1765, inventó una máquina de vapor con un condensador separado de la pared del cilindro. Se obtuvo una patente británica en 1769. 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.

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, encontrando gente a la que le gustaba la novedad para viajar y 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.

Cabe destacar que muchos libros de texto (libros de historia y libros de física) dicen que Watt es el inventor de la máquina de vapor. Esto es desinformación. La máquina de vapor fue inventada de forma independiente por los británicos Zaveri en 1698 y Newcomen en 1705 para bombear agua en las minas. Era muy ineficiente en ese momento. En 1765, Watt realizó importantes mejoras en la máquina de vapor basándose en la reparación del motor Newgate, separó el condensador del cilindro, inventó la transmisión de engranajes del cigüeñal y el regulador de velocidad centrífugo, modernizando la máquina de vapor y mejorando enormemente su eficiencia. El invento de Watt todavía se utiliza en las máquinas de vapor modernas. Para conmemorar la contribución de Watt, la unidad de electricidad recibió el nombre de su apellido.

Motor de Combustión Interna

A mediados del siglo XIX, los científicos perfeccionaron la teoría de convertir la potencia mecánica a través del calor generado al quemar gases, gasolina y diésel. Esto sentó las bases para la invención del motor de combustión interna. Desde su aparición en la década de 1960, el motor de combustión interna de pistón se ha convertido en una máquina relativamente completa después de mejoras y desarrollo continuos. Es ampliamente utilizado debido a su alta eficiencia térmica, amplio rango de potencia y velocidad, combinación conveniente y buena maniobrabilidad. Varios automóviles, tractores, maquinaria agrícola, maquinaria de construcción, pequeñas centrales eléctricas móviles y vehículos de combate en todo el mundo funcionan con motores de combustión interna. Los barcos mercantes marítimos, los barcos fluviales interiores y los barcos convencionales, así como algunos aviones pequeños, también son propulsados ​​por motores de combustión interna. El número de motores de combustión interna ocupa el primer lugar en la maquinaria eléctrica del mundo y ocupa una posición muy importante en las actividades humanas.

El motor de combustión interna de pistón se originó a partir de la explosión de pólvora para obtener energía, pero no tuvo éxito porque la combustión de la pólvora era difícil de controlar.

En 1794, un ciudadano británico propuso obtener energía a partir de la combustión de combustible y propuso por primera vez el concepto de mezclar combustible y aire. En 1833, el inglés Wright propuso un diseño que utilizaba directamente la presión de combustión para empujar el pistón para realizar trabajo.

Se propusieron diversos planes de motores de combustión interna, pero no se implementaron hasta mediados del siglo XIX. No fue hasta 1860 que el francés Lenoir imitó la estructura de una máquina de vapor y diseñó y fabricó el primer motor de gas práctico. Se trata de un motor de combustión interna de encendido por gas, sin compresión y con encendido eléctrico. Lenoir fue el primero en utilizar anillos de pistón elásticos en motores de combustión interna. La eficiencia térmica de este motor de gasolina es de aproximadamente 4.

Barnett del Reino Unido abogó una vez por comprimir la mezcla combustible antes de la ignición. Más tarde, alguien escribió un artículo sobre el importante papel de comprimir la mezcla combustible y señaló que la compresión puede mejorar en gran medida la eficiencia del lenoir interno. motor de combustión. En 1862, el científico francés Rosa analizó teóricamente el proceso térmico del motor de combustión interna y propuso la necesidad de mejorar la eficiencia del motor de combustión interna. Este fue el primer ciclo de trabajo de cuatro tiempos.

En 1876, el inventor alemán Otto fabricó con éxito el primer motor de combustión interna de cuatro tiempos, monocilíndrico, horizontal, de pistón alternativo y de 3,2 kW (4,4 CV), que todavía utilizaba gas como combustible y utilizaba ignición por llama. , velocidad 156,7 rpm, relación de compresión 2,66, eficiencia térmica 6544. En ese momento, tanto la potencia como la eficiencia térmica eran las más altas.

El motor de combustión interna Otto se ha popularizado y sus prestaciones están mejorando. En 1880, la potencia de una sola máquina alcanzaba los 11~15 kW (15~20hp), y en 1893 se aumentó a 150 kW. A medida que aumenta la relación de compresión, también aumenta la eficiencia térmica. La eficiencia térmica fue de 15,5 en 1886 y alcanzó 20~26 en 1897. En 1881, el ingeniero británico Clark desarrolló con éxito el primer motor de gas de dos tiempos y lo exhibió en la Exposición de París.

Con el desarrollo del petróleo, la gasolina y el diésel, que son más fáciles de transportar y transportar que el gas, han atraído la atención de la gente. En primer lugar, se ha probado con gasolina volátil. En 1883, la compañía alemana Daimler fabricó con éxito el primer motor vertical de gasolina, que se caracterizaba por su peso ligero y su alta velocidad. En aquel momento, la velocidad de otros motores de combustión interna no superaba las 200 rpm, pero saltaba a 800 rpm, lo que era especialmente adecuado para las necesidades de la maquinaria de transporte. De 1885 a 1886, el motor de gasolina funcionó con éxito como fuente de energía para los automóviles, lo que impulsó en gran medida el desarrollo de los automóviles. Al mismo tiempo, el desarrollo de los automóviles ha impulsado el perfeccionamiento y perfeccionamiento de los motores de gasolina. Pronto, los motores de gasolina se utilizaron para impulsar los barcos.

En 1892, el ingeniero alemán Diesel se inspiró en la explosión de polvo en un molino harinero e imaginó comprimir fuertemente el aire aspirado en el cilindro para hacer que su temperatura excediera la temperatura de autoignición del combustible, y luego soplar El combustible ingresa al cilindro con el cilindro de aire a alta presión, provocando que se encienda. Su primer motor de combustión interna de encendido por compresión (motor diésel) se desarrolló con éxito en 1897, abriendo un nuevo camino para el desarrollo de motores de combustión interna.

Los motores diésel comenzaron a intentar implementar el ciclo de Carnot en el motor de combustión interna para obtener la mayor eficiencia térmica, pero en realidad consiguieron una combustión aproximadamente isobárica con una eficiencia térmica de 26. La aparición del motor de combustión interna de encendido por compresión ha despertado un gran interés en la industria de maquinaria mundial. El motor de combustión interna de encendido por compresión también recibe el nombre de motor diésel en honor a su inventor.

Este tipo de motor de combustión interna utilizará principalmente diésel como combustible en el futuro, por lo que también se le llama motor diésel. En 1898, el motor diésel se utilizó por primera vez en un grupo electrógeno estacionario. En 1903, se utilizó como fuente de energía para buques mercantes. En 1904, se instaló en barcos. Se fabricó una locomotora de combustión interna. Comenzó a utilizarse en automóviles y maquinaria agrícola hacia 1920.

Mucho antes del nacimiento del motor de combustión interna de pistón alternativo, la gente intentó construir un motor de combustión interna de pistón rotativo, pero todos fracasaron. No fue hasta 1954 que el ingeniero alemán Wankel resolvió el problema del sellado y en 1957 se desarrolló un motor de pistón rotativo, llamado motor Wankel. Tiene un pistón giratorio aproximadamente triangular que gira dentro de un cilindro específicamente contorneado y funciona según el ciclo Otto. Este tipo de motor tiene las ventajas de alta potencia, tamaño pequeño, pequeña vibración, operación estable, estructura simple y fácil mantenimiento. Sin embargo, debido a su escasa economía de combustible, bajo par a baja velocidad y rendimiento de escape insatisfactorio, solo se utiliza en ciertos modelos.

Turbina de vapor

La bola giratoria de vapor descrita por Héroe de Alejandría en el siglo I d.C., también conocida como rueda de Eolo, fue el primer prototipo de turbina de vapor de reacción. En 1629, Gde Blanca de Italia propuso un corredor que giraba mediante palas que incidían vapor. En 1882, la empresa sueca C.G.Pde Laval construyó la primera turbina de vapor de impulso de una sola etapa de 5 caballos de fuerza (3,67 kW). En 1884, el inglés C.A. Parsons construyó la primera turbina de vapor de reacción de múltiples etapas con una potencia de 10 caballos de fuerza (7,35 kilovatios). 1910, B. Suecia; los hermanos F. Junkerchuan fabricaron una turbina de vapor de reacción radial.

A finales de 1919, Laval de Suecia y Parsons de Inglaterra construyeron respectivamente prácticas turbinas de vapor. Laval construyó la primera turbina de impulso de una sola etapa de 5 hp (3,67 kW) en 1882, resolviendo los problemas asociados con el diseño de la boquilla y el diseño de resistencia. Las turbinas de impulso de una etapa tienen muy poca potencia y rara vez se utilizan en la actualidad.

A principios del siglo XX, la francesa Lato y la suiza Zolay fabricaban respectivamente turbinas de impulso multietapa. La estructura de múltiples etapas ha abierto una manera de mejorar la potencia de las turbinas de vapor y ha sido ampliamente utilizada, y la potencia de la unidad también está aumentando. Parsons obtuvo una patente británica en 1884 y construyó la primera turbina de vapor de reacción multietapa de 10 caballos de fuerza, que era líder en potencia y eficiencia en ese momento.

A principios del siglo XX, Curtiss en Estados Unidos fabricaba turbinas de vapor de múltiples velocidades. Cada etapa de velocidad generalmente tenía dos filas de palas móviles. Después de la primera fila de paletas móviles, se instalan paletas guía en el cilindro para guiar el flujo de vapor a la segunda fila de paletas móviles. En la actualidad, las turbinas de vapor de etapa de velocidad sólo se utilizan en turbinas de vapor pequeñas, principalmente para accionar bombas, sopladores, etc. , a menudo utilizado como primera etapa de turbinas de vapor de múltiples etapas pequeñas y medianas.