La màquina de vapor és un motor de combustió externa que converteix lenergia tèrmica en energia mecànica mitjançant lús de vapor daigua a alta pressió. El seu funcionament es basa a escalfar aigua fins a generar vapor, l'expansió del qual impulsa un mecanisme mecànic, com ara pistons o turbines.
La calor necessària per generar vapor prové principalment de la combustió de carbó, encara que també es pot obtenir de fusta, petroli, reaccions nuclears o fins i tot energia solar.
Considerada un dels invents més revolucionaris de la història, la màquina de vapor va exercir un paper clau a la Revolució Industrial, impulsant el desenvolupament del transport, la indústria i la generació d'energia durant el segle XIX.
Com funciona la màquina de vapor?
El funcionament d'una màquina de vapor segueix aquests passos bàsics:
- Generació de calor: Es crema un combustible (carbó, fusta o petroli) per escalfar aigua a una caldera.
- Producció de vapor: L'aigua arriba al punt d'ebullició i es converteix en vapor a alta pressió.
- Conversió denergia: La pressió del vapor sutilitza per moure un mecanisme mecànic, com un pistó o una turbina.
Generador de vapor o caldera
El generador de vapor, o caldera, és una part essencial del sistema. Aquí, l'aigua s'escalfa fins a convertir-se en vapor, que després és dirigit al motor. Depenent del disseny, el motor de la màquina de vapor pot ser de dos tipus principals:
- Motor alternatiu: Utilitza un pistó que es mou de banda a banda.
- Motor rotatiu: Acciona una turbina de vapor per generar moviment continu.
Motor alternatiu d'una màquina de vapor
Des de la segona meitat del segle XIX, la majoria de màquines de vapor van adoptar sistemes de doble, triple o fins i tot quàdruple expansió, utilitzant múltiples cilindres en sèrie per millorar l'eficiència i aprofitar millor l'energia del vapor.
Turbines de vapor
Les turbines de vapor van reemplaçar gairebé completament els motors alternatius en l'àmbit marítim i més tard en la generació d'electricitat. Amb el temps, van ser substituïdes en moltes aplicacions per motors de combustió interna i turbines de gas, encara que continuen sent fonamentals en plantes d'energia, on es fan servir per accionar alternadors trifàsics i generar electricitat.
Característiques de la màquina de vapor
Les principals característiques de la màquina de vapor són:
1. Conversió d'energia tèrmica a mecànica
La màquina de vapor transforma la calor en feina mecànica. En escalfar aigua i generar vapor, aquest s'expandeix i exerceix pressió sobre un pistó o una turbina, creant moviment útil.
2. Ús d'un cicle termodinàmic
Funciona mitjançant un cicle d'expansió i contracció del vapor, generalment seguint el cicle de Rankine. Aquest procés permet generar contínuament energia mecànica a partir de la calor.
3. Pressió del vapor com a força motriu
El vapor generat arriba a altes pressions que impulsen el mecanisme de la màquina. La quantitat de pressió determina la potència i l'eficiència del sistema.
4. Regulació del flux de vapor
El sistema compta amb vàlvules que controlen l'entrada i la sortida del vapor, permetent ajustar la velocitat, potència i direcció del moviment segons la necessitat.
5. Reutilització del vapor en alguns models
En algunes versions més avançades, el vapor es condensa i es reutilitza per millorar-ne l'eficiència i reduir el consum de combustible i aigua.
6. Versatilitat d'aplicació
Les màquines de vapor es van utilitzar en nombrosos àmbits, com ara el transport (trens i vaixells), la indústria (fàbriques i mines) i la generació d'electricitat, revolucionant la producció i la mobilitat.
7. Eficiència variable segons el disseny
L'eficiència depèn del tipus de màquina, el combustible utilitzat i l'aprofitament del vapor. Les primeres versions tenien baix rendiment, però millores com la màquina de Watt van augmentar la seva eficiència.
8. Dependència d'un combustible extern
Per al seu funcionament, la màquina de vapor requereix una font de calor externa, com ara carbó, fusta o petroli, cosa que influeix en el seu cost operatiu i sostenibilitat.
Qui va inventar la màquina de vapor?
L'inventor de la primera màquina de vapor va ser Thomas Savery el 1698. Aquesta primera màquina era una bomba d'aigua.
L'inventor de la màquina de vapor, tal com la coneixem avui dia, fou James Watt (1769).
Aquesta primera màquina de vapor comercial va ser una bomba daigua. Savery va fer servir vapor de condensació per crear un buit que permetia elevar l'aigua des de baix. Després se li subministrava pressió per elevar-lo més.
El motor de Savery es va fer servir en mines, estacions de bombament i subministrament d'aigua a les rodes hidràuliques que accionaven maquinària tèxtil. La màquina de vapor de Savery era de baix cost.
Més tard va aparèixer el primer motor de vapor de pistó: El primer motor comercialment reeixit que podia transmetre potència contínua a una màquina va ser el motor atmosfèric, inventat per Thomas Newcomen al voltant de 1712. Newcomen va millorar la bomba de vapor de Savery, usant un pistó com ho va proposar Papin.
La màquina de Newcomen es va convertir en el primer motor comercialment reeixit utilitzant el principi del pistó i el cilindre. Aquesta va ser el tipus fonamental de màquina de vapor utilitzada fins a principis del segle XX.
No va ser fins a finals del segle XVIII no van existir màquines de vapor fiables i eficients quan es van fer les primeres temptatives serioses de propulsió naval mitjançant el vapor.
La màquina de vapor de James Watt
La màquina de vapor de James Watt és el resultat de les millores que Watt va realitzar a la màquina de Newcomen (1769).
Aquestes millores, en part gràcies a les investigacions termodinàmiques de Joseph Black, van donar lloc a la fabricació de la màquina de vapor actual.
Wat va ser un enginyer mecànic, inventor i químic escocès educat a la universitat de Glasgow. Juntament amb el fabricant anglès Matthew Boulton, van fundar l'empresa Boulton and Watt. Aquesta empresa va ser una de les primeres en el negoci del disseny i fabricació de màquines de vapor.
En honor a James, la unitat de potència elèctrica es diu watt al sistema internacional de mesures.
Característiques de la màquina de vapor de Watt
-
Comptava amb una càmera separada per a la condensació del vapor.
-
Els costos eren més baixos que els de la màquina de Newcomen.
-
Va evitar la pèrdua de vapor produïda a cada cicle. Per això, Watt va aïllar el cilindre perquè romangués a la temperatura del vapor.
-
La cambra de condensació separada estava refrigerada per aire.
-
A la cambra de condensació va incloure una bomba per fer un buit per absorbir el vapor del cilindre cap al condensador.
-
Funcionava amb la pressió del vapor en comptes de la pressió atmosfèrica per obtenir el moviment.
-
Permetia convertir el moviment lineal dels pistons en un moviment circular.
-
Disposava de vàlvules de papallona per limitar la velocitat. També disposava de reguladors que mantenien de forma automàtica una velocitat de funcionament estable.
El següent avenç important va ser laparició de motors sense condensació pràctics. Tot i això, Watt no va aconseguir perfeccionar aquest tipus de màquines.
La màquina de Papin
La màquina de Papin és una versió millorada de les primeres màquines de vapor.
La màquina de l?inventor francès Denis Papin consistia en una caldera d?aigua segellada. En primer lloc, se la sotmetia a una font de calor fins a obtenir vapor. La pressió del vapor empenyia el pistó.
Posteriorment se sotmetia la caldera a una font freda. Així, el vapor es condensava i el pistó baixava.
Papin va inventar i utilitzar per primera vegada una vàlvula de seguretat en el disseny d'una caldera de vapor.