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Todo sobre la máquina a vapor de Newcomen. Incluye también los resultados de un experimento realizado en ella.
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TRABAJO DE INVESTIGACIÓN MAQUINA A VAPOR THOMAS NEWCOMEN
Laura Roncancio ValbuenaArmando Barbosa Fuentes
Yurani Lisseth MoralesJuan Julián Méndez
Angie Dorado
Universidad de la SalleFacultad de Ingeniería
Termodinámica Bogotá2012
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN MAQUINA A VAPOR THOMAS NEWCOMEN
Laura Roncancio ValbuenaArmando Barbosa Fuentes
Yurani Lisseth MoralesJuan Julián Méndez
Angie Dorado
Trabajo de investigación “Maquina a vapor Thomas Newcomen”
Profesor:Ing. Yaneth Parra.
Docente académica
Universidad de la SalleFacultad de Ingeniería
Programa Ingeniería Ambiental y SanitariaTermodinámica
Bogotá2012
1. PRINCIPIOS DEL TEMA DE INVESTIGACIÓN
1.1 Thomas Newcomen:
Thomas Newcomen (nacido el 12 de febrero de 1663 - 5 de agosto de
1729), herrero e inventor, nació en Darthmouth, Devon, Inglaterra. Es
frecuentemente citado como el padre de la revolución industrial como
su primer innovador y empresario. En 1712 Newcomen, con su socio
Thomas Savery, construyó una máquina de vapor atmosférica utilizada
para bombear agua fuera de las minas de carbón y estaño existentes
en la zona nativa de Newcomen, en el sudoeste de Inglaterra,
particularmente en Cornualles. Más máquinas fueron instaladas por el
propio Newcomen en Inglaterra, lo que llevó a la construcción de más
de 100 máquinas antes de que la patente expirara en 1733. El diseño
fue mejorado más tarde por James Watt.1.
1.2 Historia
Había inventado y patentado en 1698, una bomba de vapor para el
drenaje de las minas; sin embargo, esta bomba planteaba numerosos
problemas ya que trabajaba con altas presiones, lo que con cierta
frecuencia provocaba serios accidentes. Ante los problemas y
dificultades que planteaba este sistema de drenaje, Thomas Newcomen,
que había trabajado para Savery, pensó que podía utilizarse la fuerza
del vapor para mover a distancia una bomba impelente colocada en el
interior del pozo de drenaje de la mina. La máquina de Newcomen
consistía en un balancín, uno de cuyos extremos se unía a una barra
rígida contrapesada que descendía por el pozo de drenaje hasta la
bomba mecánica colocada en su interior. El otro extremo se unía al
1 http://enciclopedia.us.es/index.php/M%C3%A1quina_de_Newcomen
pistón de un cilindro que se llenaba con el vapor proveniente de la
caldera. A medida que el cilindro se iba llenando de vapor el pistón era
desplazado hacia arriba y el contrapeso de la barra que accionaba la
bomba en el interior de la mina hacía que ésta bajase. Cuando el pistón
llegaba al final de su recorrido, se inyectaba un chorro de agua fría en el
interior del cilindro, con lo que condensaba el vapor, produciéndose un
vacío parcial que hacía retraerse el pistón hasta la parte inferior, tirando
del balancín que transmitía el movimiento hasta la bomba a través de la
barra rígida del otro extremo. De esta manera tan simple se conseguía
accionar a distancia el brazo de la bomba de achique, sin necesidad de
colocar la máquina en el interior de la mina y sin utilizar grandes
presiones de vapor con lo que se reducía sensiblemente el riesgo de
explosiones. Básicamente la máquina de Newcomen era un motor de
combustión externa que convertía calor en energía mecánica, mientras
que la de Savery no era más que una bomba de vapor especializada en
drenaje de minas. Las ventajas, desde el punto de vista práctico, de esta
máquina eran tantas que rápidamente sustituyeron a las máquinas de
Savery y a finales de la década de 1710 prácticamente todas las minas
de carbón de Gran Bretaña tenían instalados los sistemas de bombeo de
Newcomen, exportándose, en los años siguientes, a las colonias
americanas y a otros países.
El trabajo de Newcomen sobre la máquina de vapor fue
fundamentalmente empírico, fruto de la habilidad, experiencia y
conocimientos adquiridos mientras fabricaba componentes para las
bombas de Savery. El hecho de que el sistema de bombeo de
Newcomen no estuviera basado en una serie de fundamentos teóricos
relacionados con la producción y empleo del vapor como fuerza motriz,
hizo que las sucesivas máquinas que se construyeron tuvieran eficacias
muy dispares, dependiendo de los tamaños relativos de los diferentes
componentes que lo conformaban. Era frecuente que bombas que se
construían de mayor tamaño con la intención de conseguir mayores
caudales de bombeo, resultaba que apenas eran capaces de bombear
un caudal ligeramente superior al de otras máquinas de menor tamaño,
pero eso sí, generalmente con un mayor consumo de combustible. Se
requería por tanto realizar un estudio cuidadoso, siguiendo una
metodología científica, a fin de descubrir de qué factores dependía su
eficacia. En otras palabras, se requería realizar un proceso de
optimización experimental que condujera a introducir las mejoras
necesarias para conseguir el máximo rendimiento de estas máquinas.
Este proceso de optimización fue llevado a cabo por John Smeaton
(1724-1792), un ingeniero con formación teórico-científica que en 1769
realizó un catálogo de máquinas de Newcomen instaladas en minas
británicas, en el que detallaba el tamaño y el rendimiento de
aproximadamente un centenar de estas máquinas. Una vez que dispuso
del catálogo y no encontrando la relación existente entre las máquinas y
los rendimientos observados, se dedicó a evaluar, por separado, las
diferentes partes que conformaban la máquina. Para ello construyó un
modelo a escala y con él realizó unos ciento treinta experimentos
distintos. En cada uno de estos experimentos Smeaton modificaba uno
de los factores que podían afectar al rendimiento de la máquina,
mientras mantenía los demás constantes. En unos experimentos
estudiaba la longitud del pistón manteniendo su diámetro constante, en
otros, partiendo de una longitud de pistón determinada, estudiaba la
influencia del diámetro, en otros estudiaba el tamaño de la caldera, la
presión que había que mantener en ésta, etc. Así fue como, en tan sólo
tres años, entre 1769 y 1772 fue capaz de establecer y predecir cual
sería la eficacia de estas máquinas, obteniendo los valores óptimos para
el diámetro del cilindro, la longitud del pistón, el número de pasos por
minuto de éste, el tamaño de la caldera, la cantidad de agua introducida,
la temperatura del agua inyectada y hasta el consumo más probable de
carbón para cualquier máquina, desde la más pequeña de un caballo de
potencia hasta la más grande de setenta caballos y para demostrar la
validez de su resultados, él mismo construyó en 1774 una máquina de
76,5 caballos, la más potente lograda hasta ese momento, cuyas
prestaciones cayeron dentro de las previsiones realizadas por Smeaton.
La máquina de Newcomen y las mejoras introducidas por Smeaton
constituyeron el primer gran paso de la denominada Revolución
industrial, periodo histórico caracterizado por un radical cambio en los
procesos de producción, comunicación y transporte, pues el empleo del
motor de vapor permitió reemplazar la energía muscular de hombres y
animales en energía mecánica producida por el vapor. Si una máquina,
como la de Newcomen, podía mover el brazo de una bomba de sacar
agua, muy bien podía utilizarse como motor para realizar otros muchos
trabajos o incluso para arrastrar o desplazar grandes pesos o
mercancías. Pocos años después de que Smeaton presentara las
mejoras de la máquina de Newcomen, un ingeniero escocés de nombre
James Watt (1736-1819) presentó una serie de mejoras todavía más
revolucionarias, como hacer que el vapor condensara en una cámara
diferente a la del pistón, o que éste fuera empujado por el vapor tanto en
sentido ascendente como descendente. Con estas mejoras la eficacia y
rendimiento de la máquina mejoró notablemente, pues ahora el cilindro
del pistón se mantenía siempre caliente, reduciendo el consumo de
carbón. Sin embargo, la mejora que introdujo Watt y que supuso la
consagración de la máquina de vapor como motor térmico fue la
adaptación mecánica que hizo de la máquina de vapor de Newcomen
para que el movimiento vertical del balancín se convirtiera en un
movimiento giratorio que pudiera transmitirse horizontalmente por medio
de poleas o engranajes hasta las máquinas, o que pudiera mover las
palas o las hélices de los barcos o las ruedas de una locomotora. Había
nacido la era del transporte mediante vehículos autopropulsados2.
1.3 Desarrollo de l a máquina de vapor:
El más grande logro de Newcomen fue el desarrollo de la máquina a
vapor probablemente diseñada en 1710 combinando las ideas de
Thomas Savery y Denis Papin. El trabajo de Newcomen sobre la
máquina de vapor fue fundamentalmente empírico, fruto de la habilidad,
experiencia y conocimientos adquiridos mientras fabricaba
componentes para las bombas de Savery. El hecho de que el sistema
de bombeo de Newcomen no estuviera basado en una serie de
fundamentos teóricos relacionados con la producción y empleo del
vapor como fuerza motriz, hizo que las sucesivas máquinas que se
construyeron tuvieran eficacias muy dispares, dependiendo de los
tamaños relativos de los diferentes componentes que lo conformaban.
La máquina que creó Newcomen, junto con su socio Thomas Savery,
fue una máquina de vapor atmosférica que se utilizó para bombear el
agua de las minas. Inicialmente, Thomas Savery inventó una bomba de
vapor para drenar las minas, pero esto acarreaba varios problemas
porque trabajaba con altas presiones y, con frecuencia, provocaba
accidentes. Para eliminar estos problemas, a Thomas Newcomen se le
ocurrió utilizar la fuerza de vapor para mover a distancia una bomba
impelente colocada en el pozo de drenaje de la mina. Esto consistía en
un balancín, donde se unía a uno de sus extremos una barra rígida
contrapesada, que bajaba por el pozo de drenaje hasta la bomba
mecánica de su interior. El otro extremo iba unido al pistón de un
cilindro que se llenaba del vapor que provenía de la caldera. Según el
2 Rolt, Lionel Thomas Caswell; John S. Allen (1977). The Steam Engines of Thomas Newcomen (2 ed.). Hartington: Moorland Publishing Company. pp. 160. ISBN 0-903485-42-7
cilindro se llenaba de vapor, el pistón se desplazaba hacia arriba y el
contrapeso de la barra que accionaba la bomba desde el interior de la
mina la hacía bajar. Cuando el pistón llegaba al final del recorrido, se
inyectaba un chorro de agua fría en el interior del cilindro y condensaba
el vapor que hacía retraerse al pistón hacia la parte inferior, tirando del
balancín y realizando unos 10 o 12 golpes por minuto. De esta manera
conseguía accionar el brazo de la bomba de achique a distancia, sin
colocar la máquina en el interior de la mina y sin usar grandes
presiones, reduciendo el riesgo de explosiones en la mina3.
Imagen #1. Máquina a vapor de Thomas Newcomen
Fuente: http://www.numericana.com/answer/steam.htm#newcomen
3 http://redalyc.uaemex.mx/redalyc/src/inicio/ArtPdfRed.jsp?iCve=93701109
2Contextualización nacional maquina de vapor de newcomen la industrialización llego al continente europeo abarcando el mercado y empezando a crear sistemas de producción con alta eficacia en donde la expansión del comercio seria instantánea la creación de nuevas maquinas principalmente a vapor fue el broche de apertura a la globalización industrial que actualmente domina el mundo, paralelamente en cuanto en Europa se vivenciaba uno de los fenómenos mas importantes en américa latina específicamente este fenómeno fue mucho mas tardío; la economía agrícola y de transportes, fuente principal de ingresos tomo otro rumbo al descubrir las nuevas tecnología existentes para la producción aunque el termino nuevas tecnología se aplicaba únicamente en Colombia ya que las primeras maquinas que fueron traídas al país eran bastante atrasadas tecnológicamente a lo que ya se desarrollaba en el continente europeo.«José Eusebio Otálora Martínez fue uno de los dirigentes que más se preocupó por estimular la industrialización de Colombia en los finales del siglo XIX. Entre otros cargos que desempeño el cargo de cónsul de Colombia en Italia, y posteriormente en Inglaterra, le dio contacto directo en el mundo de la revolución industrial y la modernización.» En 1836 la ley en Colombia sobre la posibilidad del uso de maquinas a vapor que constaban de un sistema parecido a l planteado a la maquina de vapor de newcomen fue una nueva esperanza de desarrollo para el país trayendo consigo la consolidación del proyecto de traer estos grandes gigantes desde el continente europeo en barcos a vapor; la construcción de las vías fue un desafío mucho mas grande construyendo las vías ferroviarias de la ciudad de barranquilla en 1869-1873, a partir de este gran acontecimiento las maquinas a vapor fueron teniendo gran acogida las grandes calderas traídas desde el continente europeo fueron el engrane principal para auspiciar la industria férrea en Colombia.
En la actualidad las maquinas de vapor se utilizan pero en pocas proporciones en mayor medida en la industria textil donde aun se hace el planchado en planchas a vapor también se utilizan en las lavanderías e industria alimenticia para la esterilización de muchos alimento a latas temperaturas, en si las maquinas a vapor en Colombia fueron la biela que impulso la industria en nuestro país por muchos años y todavía en ciertas regiones del país el uso indiscriminado de estos sistemas causa un impacto ambiental de gran alcance ya que la principal materia prima para el funcionamiento de estas maquinas es el carbón obtenido de la tala de arboles actualmente no son sistemas ambientalmente amigable por o que los combustibles a base de hidrocarburos remplazaron en gran medida pero con un mayor impacto negativo ambientalmente.
3Contextualización internacional maquina de vapor de Newcomen
La idea de Newcomen de una maquina a vapor tuvo repercusiones internacionales representadas en la revolución industrial, uno de los mas grandes avances tecnológicos en la historia de la humanidad. Es por esto que la contextualización internacional está enfocada principalmente en este importante suceso pues pocas décadas después el vapor remplazado por el petróleo, a continuación se describirá la revolución industrial en su desarrollo y como la maquina evolucionada de vapor de newcomen fue el principal motor de esta:
3.1 La Revolución Industrial en Inglaterra
Se denomina Revolución Industrial a un conjunto de cambios económicos y sociales que comenzaron en Inglaterra a fines del siglo XVIII. Esas transformaciones se vinculaban con la introducción de nuevas tecnologías y nuevas formas de organizar el trabajo, que afectaron en lo sucesivo la vida de las personas, primero en Inglaterra, luego en Europa y posteriormente en todo el mundo.
3.1.1 ¿Por qué se produjo en Inglaterra?
- Posición Estratégica: Insular - Reservas de carbón y de hierro - Gobierno: Monarquía Parlamentaria (Rey + Parlamentos -> burgueses) - Adelantos tecnológicos -> aplicados al campo - Capital derivado del comercio internacional
3.1.2 ¿Por qué a fines del siglo XVIII?
El desarrollo de las explotaciones coloniales fue el elemento disparador de la Revolución Industrial. Los dueños de las plantaciones demandaban trabajadores esclavos. Como los esclavos no hacían sus propias vestimentas y herramientas sus amos debían comprar estos bienes manufacturados a Europa. Como la demanda de textiles y herramientas aumentó, empresarios ingleses introducieron cambios para producir en menor tiempo, en mayor cantidad y a menor costo.
3.1.3 Primera fase de la Revolución Industrial
La primera etapa de la Revolución Industrial fue entre 1760 y 1830, y se la llama fase textil. El proceso comenzó con la introducción de las maquinarias hiladoras. Se probaron de manera sucesiva hasta definir la mejor para la producción de hilo. Las maquinas eran muy grandes.
Las maquinas hiladoras introducidas fueron:
-Spinning Jenny: inventada en 1760 por James Margraves. Era de madera, tenía una rueda sobre la que se montaban varios husos, el problema era que hacia hilos quebradizos pero finos.
-Water-frame: de 1768, inventada por Richard Arkwight. Utilizaba energía hidráulica. Producía un hilo más resistente pero muy grueso.
-Mule o Mule-Jenny: inventada por Samuel Cromptom. Esta copio lo mejor de las anteriores y logro un hilo fino y resistente.
A comienzos del siglo XVIII, Thomas Savery y Thomas Newcomen crearon las maquinas de vapor para extraer agua de las minas de carbón. En 1763 Watt lo adapto para generar energía capaz de mover maquinarias industriales. Las innovaciones industriales provocaron un nuevo desequilibrio: el hilo se fabricaba a ritmo mayor. Esto motivo la invención del telar mecánico por Edmund Cartwright.
4 Modificaciones:
La máquina de Newcomen no tuvo modificaciones de importancia
durante mucho tiempo, excepto la automatización de las válvulas, un
cambio realizado por Potter y los cambios que introdujo John Smeaton,
que realizó varios experimentos en una máquina a escala, estudiando
las proporciones de la máquina y acabó determinando que los cilindros
debían ser de mayor longitud y que las calderas eran demasiado
pequeñas. En 1774 construyó en Long Benton la primera máquina de
este tipo4.
El ingeniero militar inglés Thomas Savery fue quien materializó por
primera vez esa idea para aplicarla a un artificio funcional. Su «ingenio
de vapor» (la palabra «ingenio» se aplicó originalmente a todo artificio
mecánico) sirvió para extraer agua de minas y pozos o mover una
rueda hidráulica, llamándolo él, por tal razón, El amigo del minero . Pero
4 http://inventors.about.com/od/nstartinventors/a/Newcomen.htm
resultaba peligroso (porque la alta presión del vapor solía hacer
reventar calderas o tuberías) y poco eficaz (porque se perdía el calor
del vapor cada vez que se enfriaba el recipiente). Siete años después,
en 1698, Savery patentó su ingenio, y un herrero inglés llamado
Thomas Newcomen construyó una máquina más perfecta que
funcionaba a bajas presiones; tenía pistón y cilindro, empleándose la
presión del aire para mover hacia abajo el pistón.
Tampoco fue muy eficiente el ingenio de Newcomen, y el ingenio de
vapor siguió siendo un artilugio secundario durante más de sesenta
años, hasta que un mecánico de precisión escocés, llamado James
Watt, ideó el medio de darle efectividad. Lo contrató la Universidad de
Glasgow para diseñar un nuevo modelo del ingenio Newcomen, cuyo
funcionamiento dejaba mucho que desear. Watt comenzó a cavilar
sobre la pérdida inútil de combustible. ¿Por qué se creía necesario
enfriar cada vez el recipiente de vapor? ¿Por qué no mantener siempre
caliente la cámara de vapor y conducir éste hasta otra cámara
condensadora mantenida a baja temperatura? Watt introdujo varias
mejoras más: se aprovechó la presión de vapor para mover el pistón, se
diseñó una serie de conexiones mecánicas para mantener en línea
recta el movimiento del pistón, se enlazó este movimiento alternativo
con un cigüeñal que hacía girar a una rueda, y así sucesivamente. En
1782, su máquina de vapor, rindiendo con una tonelada de carbón tres
veces mas que la de Newcomen, quedó lista para prestar servicio como
caballo universal de fuerza.
En épocas ulteriores se acrecentó sin cesar la eficiencia de la máquina
Watt, principalmente mediante la aplicación de vapor cada vez más
caliente a presiones cada vez más altas. El invento de la
Termodinámica por Carnot (véase capítulo VII) se debió principalmente
a la percepción que el rendimiento máximo de cualquier máquina
térmica era proporcional a la diferencia de temperatura entre el depósito
caldeado (vapor en los casos ordinarios) y el frío.
La primera aplicación de la máquina de vapor con fines más
espectaculares que el drenaje de minas fue la navegación marítima. En
1787, el inventor estadounidense John Fitch construyó el primer vapor
funcional, pero su aventura fue un fracaso financiero, y Fitch murió
olvidado sin conocer el merecido crédito. Robert Fulton, un promotor
más capacitado que él, botó en 1807 su barco de vapor, el Clermont ,
con tanto alarde y publicidad, que se le consideró el inventor del barco
de vapor aunque, realmente, fuera al constructor de esa primera nave
tanto como Watt pudiera haberlo sido de la primera máquina de vapor.
Tal vez sería preferible recordar a Fulton por sus tenaces tentativas
para construir sumergibles. Sus naves submarinas no fueron prácticas,
pero sí precursoras de varios proyectos modernos. Construyó una,
llamada Nautilus , que, probablemente, inspiró a Julio Verne para
imaginar aquel sumergible fantástico del mismo nombre en la
obra Veinte mil leguas de viaje submarino , publicada el año 1870. Éste,
a su vez, sirvió de inspiración para bautizar al primer submarino nuclear
(véase capítulo I).
Imagen #2. Máquina a vapor de James
Fuente: Google images
A partir de 1830, los barcos de vapor cruzaron ya el Atlántico
propulsados por hélices, una mejora considerable en comparación con
las ruedas laterales de palas. Y en 1850 los veloces y bellos Yankee
Clippers empezaron a arriar definitivamente sus velas para ser
remplazados por vapores en todas las marinas mercantes y de guerra
del mundo.
Mientras tanto, la máquina de vapor empezaba a dominar el transporte
terrestre. En 1814, el inventor inglés George Stephenson, quien debió
mucho a los trabajos precedentes de un ingeniero inglés, Richard
Trevithick- construyó la primera locomotora funcional de vapor. El
movimiento alternativo de los pistones movidos a vapor pudo hacer
girar las ruedas metálicas sobre los rieles tal como había hecho girar
antes las ruedas de palas en el agua. Y, allá por 1830, el fabricante
americano Peter Cooper construyó la primera locomotora comercial de
vapor en el hemisferio occidental. Por primera vez en la Historia, los
viajes terrestres estuvieron al mismo nivel que los marítimos, y el
comercio tierra adentro pudo competir con el tráfico marítimo. En 1840,
la vía férrea alcanzó el río Mississippi, y en 1869, la superficie entera de
los Estados Unidos quedó cubierta por una red ferroviaria.
Los inventores británicos marcaron también la pauta introduciendo el
ingenio en las fábricas para mover su maquinaria. Con esa «revolución
industrial» (término ideado en 1837 por el economista francés Jérôme-
Adolphe Blanqui), el hombre culminó su transición del empleo de la
fuerza muscular al de la fuerza mecánica.
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