Es diu màquina de vapor a un motor de combustió externa que produeix energia mecànica mitjançant l'ús de vapor d'aigua. En particular, es transforma l'energia tèrmica en energia mecànica generant vapor.
La calor es genera cremant combustibles fòssils. Normalment s'utilitza grans quantitats de carbó, però també pot provenir de la fusta, reaccions nuclears o fins i tot de l'energia solar.
És un dels invents més importants de la revolució industrial al segle XIX.
Com funciona una màquina de vapor?
El funcionament bàsic d'una màquina de vapor es basa en els següents passos:
-
Generar una font de calor per bullir l'aigua.
-
L'aigua es converteix en vapor.
-
Aprofitar la pressió de vapor per accionar un mecanisme mecànic.
Generador de vapor o caldera
Una part essencial de sistema és el generador de vapor, o la caldera. A la caldera es calenta a l'aigua i es converteix en vapor mitjançant l'administració de calor. El vapor s'envia llavors a el motor, que pot ser de dos tipus bàsics:
-
Motor alternatiu, empenyent un pistó.
-
Motor rotatiu, accionant una turbina de vapor.
Motor alternativo de una máquina de vapor
En el motor alternatiu, el vapor mou les vàlvules d'accionament que permeten empènyer el pistó per ambdós costats. A cada rotació del otor té dues fases actives. En els motors tèrmics de combustió interna hi generalment una expansió cada 4 fases (motor de 4 temps).
A partir de la segona meitat de 1800 gairebé totes les màquines de vapor utilitzaven dos, tres i fins a quatre cilindres en sèrie per a motors d'expansió doble i triple expansió.
Turbines de vapor
La turbina suplantar completament en els motors alternatius marins. Més tard, es van substituir motors de combustió interna i turbines de gas. Les turbines de vapor romanen en ús sobretot en les plantes d'energia com a força motriu per a l'accionament dels alternadors trifàsics.
En les aplicacions tradicionals, avui dia la màquina de vapor ha estat gairebé completament reemplaçat pel motor de combustió interna. Respecte a la màquina de vapor, el motor tèrmic és més compacte i de gran abast i no requereix la fase de preescalfament per posar la caldera a la pressió.
Qui va inventar la màquina de vapor?
El inventor de la primera máquina de vapor fue Thomas Savery en 1698. Esta primera máquina era una bomba de agua.
L'inventor de la màquina de vapor, tal com la coneixem avui dia, va ser James Watt (1769).
Aquesta primera màquina de vapor comercial va ser una bomba d'aigua. Savery va utilitzar vapor de condensació per crear un buit que permetia elevar l'aigua des de baix. Després, se li subministrava pressió per elevar més.
El motor de Savery es va utilitzar 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 va esdevenir 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 de segle XX.
No va ser fins a finals de segle XVIII no van existir màquines de vapor fiables i eficients quan es van realitzar les primeres temptatives serioses de propulsió naval mitjançant el vapor.
Màquina de vapor 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 en el sistema internacional de mesures.
Características de la máquina de vapor de Watt
-
Comptava amb una càmera separada per a la condensació de vapor.
-
Els costos eren més baixos que els de la màquina de Newcomen.
-
Va evitar la pèrdua de vapor produïda en cada cicle. Per a això, Watt va aïllar el cilindre perquè romangués a la temperatura del vapor.
-
La càmera de condensació separada estava refrigerada per aire.
-
A la cambra de condensació va incloure una bomba per fer un buit per absorbir el vapor d'el cilindre cap al condensador.
-
Funcionava amb la pressió de vapor en lloc 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 de reguladors que mantenien de forma automàtica una velocitat de funcionament estable.
El següent avanç important va ser l'aparició de motors sense condensació pràctics. No obstant això, Watt no va aconseguir perfeccionar aquest tipus de màquines.
Què és 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 es la sotmetia a una font de calor fins a obtenir vapor. La pressió del vapor empenyia el pistó.
Posteriorment es sotmetia la caldera a una font freda. D'aquesta manera, el vapor es condensava i el pistó baixava.
Papin va inventar i va utilitzar per primera vegada una vàlvula de seguretat en el disseny d'una caldera de vapor.