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Bomba de vapor desarrollada - Historia

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Bomba de vapor

En 1698, Thomas Slavery inventó la primera bomba de vapor. Fue diseñado para ayudar a bombear agua fuera de las minas inundadas. Estaba limitado por el hecho de que solo podía bombear agua hasta 25 pies.

Thomas Slavery fue un inventor e ingeniero militar inglés. En 1698 aplicó los conocimientos adquiridos por el físico francés Denis Papin, quien había observado en sus experimentos con una olla a presión que el vapor levantaba la tapa de la olla. La esclavitud estaba convencida de que el vapor podía utilizarse para levantar agua y resolver así uno de los mayores problemas de la minería; la inundación de las minas. En 1698 patentó el "amigo de los mineros", un complicado sistema de tuberías, válvulas y condensadores. El sistema estaba limitado porque solo podía levantar agua a 25 pies. La limitación se resolvió cuando Thomas Newcomen desarrolló una máquina de vapor atmosférica. Newcomen se asoció con Slavery y las nuevas máquinas de vapor pronto se utilizaron ampliamente en las minas.


Biografía de Thomas Newcomen, inventor de la máquina de vapor

Thomas Newcomen (28 de febrero de 1663 a 5 de agosto de 1729) fue un herrero de Dartmouth, Inglaterra, que ensambló el prototipo de la primera máquina de vapor moderna. Su máquina, construida en 1712, se conocía como la "Máquina de vapor atmosférica".

Hechos rápidos: Thomas Newcomen

  • Conocido por: Inventor de la máquina de vapor atmosférica.
  • Nació: 28 de febrero de 1663 en Dartmouth, Inglaterra
  • Padres: Elias Newcomen y su primera esposa Sarah
  • Murió: 5 de agosto de 1729 en Londres, Inglaterra
  • Educación: Formado como ferretero (herrero) en Exeter
  • Esposa: Hannah Waymouth (m. 13 de julio de 1705)
  • Niños: Thomas (muerto en 1767), Elías (muerto en 1765), Hannah

Antes de la época de Thomas Newcomen, la tecnología de las máquinas de vapor estaba en su infancia. Inventores como Edward Somerset de Worcester, el vecino de Newcomen Thomas Savery y el filósofo francés John Desaguliers estaban investigando la tecnología antes de que Thomas Newcomen comenzara sus experimentos. Su investigación inspiró a inventores como Newcomen y James Watt a inventar máquinas de vapor prácticas y útiles.


Mejoras de James Watt & # 39s

El escocés James Watt mejoró y desarrolló significativamente la máquina de vapor durante la segunda mitad del siglo XVIII, convirtiéndola en una pieza de maquinaria verdaderamente viable que ayudó a iniciar la Revolución Industrial. La primera gran innovación de Watt fue incluir un condensador separado para que el vapor no tuviera que enfriarse en el mismo cilindro que contenía el pistón. Esto significó que el cilindro del pistón se mantuvo a una temperatura mucho más constante, aumentando en gran medida la eficiencia de combustible del motor. Watt también desarrolló un motor que podía girar un eje, en lugar de una acción de bombeo hacia arriba y hacia abajo, así como un volante que permitía una transferencia de potencia suave entre el motor y la carga de trabajo. Con estas y otras innovaciones, la máquina de vapor se volvió aplicable a una variedad de procesos de fábrica, y Watt y su socio comercial, Matthew Boulton, construyeron varios cientos de máquinas para uso industrial.


La propagación del poder del vapor

Los motores de vapor encontraron muchos usos en una variedad de industrias, sobre todo en la minería y el transporte, pero su popularización dio forma a casi todos los aspectos de la sociedad industrial, incluido dónde las personas podían vivir, trabajar y viajar, cómo se producían, comercializaban y vendían los bienes y qué Siguieron las innovaciones tecnológicas.

Objetivos de aprendizaje

Dar ejemplos de industrias impulsadas por vapor

Conclusiones clave

Puntos clave

  • La máquina de vapor fue una de las tecnologías más importantes de la Revolución Industrial, inspirando otras innovaciones e iniciando nuevos avances tecnológicos. En 1775, James Watt formó una sociedad de ingeniería y construcción de motores con el fabricante Matthew Boulton. Esto sirvió como una especie de centro técnico creativo para gran parte de la economía británica. Apoyaron a los talentos y otras empresas, creando una cultura en la que las empresas a menudo compartían información que podían utilizar para crear nuevas técnicas o productos.
  • Desde minas hasta molinos, las máquinas de vapor encontraron muchos usos en una variedad de industrias. La introducción de máquinas de vapor mejoró la productividad y la tecnología y permitió la creación de máquinas mejores y más pequeñas. A principios del siglo XIX, el ingeniero de Cornualles Richard Trevithick y el estadounidense Oliver Evans comenzaron a construir máquinas de vapor sin condensación de alta presión, que agotaban la atmósfera. Después del desarrollo de Trevithick & # 8217, las aplicaciones de transporte se hicieron posibles y las máquinas de vapor se abrieron camino en barcos, ferrocarriles, granjas y vehículos de carretera.
  • La máquina de vapor se inventó y perfeccionó originalmente para su uso en minas. La introducción de la bomba de vapor por Savery en 1698 y la máquina de vapor Newcomen en 1712 facilitaron en gran medida la eliminación de agua y permitieron que los pozos se hicieran más profundos, lo que permitió extraer más carbón. La adopción de las mejoras de John Smeaton & # 8217 al motor Newcomen seguidas de las máquinas de vapor más eficientes de James Watt & # 8217 de la década de 1770 redujo los costos de combustible de los motores, haciendo que las minas fueran más rentables.
  • Las locomotoras de vapor se inventaron después de la introducción de las máquinas de vapor de alta presión cuando la patente de Boulton y Watt expiró en 1800. Los ferrocarriles públicos de vapor comenzaron con el ferrocarril de Stockton y Darlington en 1825. El uso de máquinas de vapor en los ferrocarriles resultó extraordinario ya que grandes cantidades de los bienes y las materias primas ahora se podían entregar a las ciudades y fábricas por una fracción del costo de viajar en carro.
  • Tras la llegada del barco de vapor, Estados Unidos experimentó un crecimiento increíble en el transporte de mercancías y personas, que fue clave en la expansión hacia el oeste. El barco de vapor redujo drásticamente el tiempo utilizado para transportar mercancías y permitió una mayor especialización. El barco de vapor también fue fundamental para facilitar el comercio interno de esclavos. Con el barco de vapor surgió la necesidad de mejorar el sistema fluvial y la infraestructura a lo largo de los ríos.
  • Las máquinas de vapor son un ejemplo particularmente ilustrativo de cómo los cambios traídos por la industrialización llevaron a cambios aún más en otras áreas. Si bien muchos consideran que el potencial de un aumento en la potencia generada es el beneficio dominante, otros favorecen el potencial de aglomeración. Los motores de vapor hicieron posible trabajar, vivir, producir, comercializar, especializarse y expandirse de manera viable sin tener que preocuparse por la presencia menos abundante de vías fluviales.

Términos clave

  • Boulton y Watt: Una de las primeras empresas británicas de ingeniería y fabricación en el negocio del diseño y fabricación de motores de vapor marinos y estacionarios. Fundada en las West Midlands inglesas alrededor de Birmingham en 1775 como una asociación entre el fabricante inglés Matthew Boulton y el ingeniero escocés James Watt, la empresa tuvo un papel importante en la Revolución Industrial y se convirtió en un importante productor de máquinas de vapor en el siglo XIX. .
  • máquina de vapor: Una máquina térmica que realiza un trabajo mecánico utilizando vapor como fluido de trabajo.
  • motor de haz: Tipo de máquina de vapor en la que se utiliza una viga aérea pivotante para aplicar la fuerza de un pistón vertical a una biela vertical. Esta configuración, con el motor accionando directamente una bomba, fue utilizada por primera vez por Thomas Newcomen alrededor de 1705 para eliminar el agua de las minas en Cornualles.

Revolución del motor de vapor

La máquina de vapor fue una de las tecnologías más importantes de la Revolución Industrial, aunque el vapor no reemplazó a la energía hidráulica en importancia en Gran Bretaña hasta después de la Revolución Industrial. Desde el primer motor de presión atmosférica práctico de los ingleses Thomas Savery (1698) y el motor atmosférico de Thomas Newcomen (1712) hasta los principales desarrollos del inventor e ingeniero mecánico escocés James Watt, la máquina de vapor se utilizó en muchos entornos industriales. En 1775, Watt formó una asociación de ingeniería y construcción de motores con el fabricante Matthew Boulton que se convirtió en una de las empresas más importantes de la Revolución Industrial y sirvió como un centro técnico creativo para gran parte de la economía británica. Los socios resolvieron problemas técnicos y difundieron las soluciones a otras empresas. Empresas similares hicieron lo mismo en otras industrias y fueron especialmente importantes en la industria de la máquina herramienta. Estas interacciones entre empresas redujeron la cantidad de tiempo de investigación y los gastos que cada empresa tenía que dedicar a trabajar con sus propios recursos. Los avances tecnológicos de la Revolución Industrial se produjeron más rápidamente porque las empresas a menudo compartían información que podían utilizar para crear nuevas técnicas o productos.

Motor rotativo Watt & # 8217s en el Museo Henry Ford: El Museo Henry Ford en Dearborn, Michigan, alberga un motor rotativo Watt fabricado en 1788 por Charles Summerfield. Este es un motor Boulton-Watt que funciona a gran escala. El industrial estadounidense Henry Ford trasladó el motor a Dearborn alrededor de 1930.

Principales aplicaciones

Desde minas hasta molinos, las máquinas de vapor encontraron muchos usos en una variedad de industrias. La introducción de las máquinas de vapor mejoró la productividad y la tecnología y permitió la creación de máquinas mejores y más pequeñas. Hasta alrededor de 1800, el tipo más común de máquina de vapor era la máquina de viga, construida como parte integral de una casa de máquinas de piedra o ladrillo, pero pronto se desarrollaron varios modelos de motores rotativos autónomos (fácilmente extraíbles, pero no sobre ruedas). desarrollado, como el motor de mesa. A principios del siglo XIX, el ingeniero de Cornualles Richard Trevithick y el estadounidense Oliver Evans comenzaron a construir máquinas de vapor sin condensación de alta presión, que agotaban la atmósfera. Después del desarrollo de Trevithick & # 8217, las aplicaciones de transporte se hicieron posibles y las máquinas de vapor se abrieron camino en barcos, ferrocarriles, granjas y vehículos de carretera.

La máquina de vapor se inventó y perfeccionó originalmente para su uso en minas. Antes de la máquina de vapor, los pozos de campana poco profundos seguían una veta de carbón a lo largo de la superficie y fueron abandonados mientras se extraía el carbón. En otros casos, si la geología era favorable, el carbón fue extraído por una mina a la deriva clavada en la ladera de una colina. La minería de pozos se realizó en algunas áreas, pero el factor limitante fue el problema de eliminar el agua. Puede hacerse transportando cubos de agua por el pozo o hasta un túnel que se hunde en una colina. En cualquier caso, el agua tenía que descargarse en un arroyo o zanja a un nivel donde pudiera fluir por gravedad. La introducción de la bomba de vapor por Savery en 1698 y la máquina de vapor Newcomen en 1712 facilitaron en gran medida la eliminación de agua y permitieron profundizar los pozos, lo que permitió extraer más carbón. Estos desarrollos comenzaron antes de la Revolución Industrial, pero la adopción de las mejoras de John Smeaton & # 8217 en el motor Newcomen seguidas por las máquinas de vapor más eficientes de James Watt & # 8217 de la década de 1770 redujo los costos de combustible de los motores, haciendo que las minas fueran más rentables.

Al comienzo de la Revolución Industrial, el transporte interior se realizaba por ríos y carreteras navegables, y se empleaban embarcaciones costeras para transportar mercancías pesadas por mar. Se utilizaron vías de carreta para transportar carbón a los ríos para su posterior envío, pero los canales aún no se habían construido ampliamente. Los animales suministraban toda la fuerza motriz en tierra, y las velas proporcionaban la fuerza motriz en el mar. Los primeros ferrocarriles de caballos se introdujeron a finales del siglo XVIII, con locomotoras de vapor introducidas en las primeras décadas del siglo XIX. Las locomotoras de vapor se inventaron después de la introducción de las máquinas de vapor de alta presión cuando expiró la patente de Boulton y Watt en 1800. Las locomotoras de alta presión expulsaron vapor a la atmósfera, eliminando el condensador y el agua de refrigeración. Algunas de estas primeras locomotoras se utilizaron en minas. Los ferrocarriles públicos transportados por vapor comenzaron con el ferrocarril de Stockton y Darlington en 1825. El uso de máquinas de vapor en los ferrocarriles resultó extraordinario en el hecho de que ahora se podían enviar grandes cantidades de bienes y materias primas a ciudades y fábricas por igual. Los trenes podrían llevarlos a lugares lejanos a una fracción del costo de viajar en vagón.

Particularmente en los Estados Unidos, la introducción y desarrollo del barco de vapor resultó en grandes cambios. Antes del barco de vapor, los ríos generalmente solo se usaban para transportar mercancías de este a oeste y de norte a sur, ya que luchar contra la corriente era muy difícil y, a menudo, imposible. Los botes y balsas sin motor se ensamblaban río arriba para transportar carga río abajo, y a menudo se desmontaban al final de su viaje y los restos se usaban para construir casas y edificios comerciales. Tras la llegada del barco de vapor, EE. UU. Experimentó un crecimiento increíble en el transporte de mercancías y personas, que fue clave en la expansión hacia el oeste. El barco de vapor redujo drásticamente el tiempo utilizado para transportar mercancías y permitió una mayor especialización. También fue fundamental para facilitar la trata interna de esclavos.

Con el barco de vapor vino la necesidad de un sistema fluvial mejorado. El sistema fluvial natural produjo obstáculos como rápidos, bancos de arena, aguas poco profundas y cascadas. Para superar estos obstáculos naturales, se construyó una red de canales, esclusas y presas. Esto aumentó la demanda de mano de obra a lo largo de los ríos, lo que resultó en un enorme crecimiento del empleo. La popularización del barco de vapor también condujo directamente al crecimiento de las industrias del carbón y de seguros y la demanda de instalaciones de reparación a lo largo de los ríos. Además, la demanda de bienes en general aumentó a medida que el barco de vapor hizo que el transporte a nuevos destinos fuera tan amplio como eficiente.

1920 Barco de vapor en el río Yukon cerca de Whitehorse, Colección Frank G Carpenter, Biblioteca del Congreso de los Estados Unidos.

Antes del barco de vapor, podía llevar entre tres y cuatro meses hacer el trayecto de Nueva Orleans a Louisville, con un promedio de veinte millas por día. Con el vapor este tiempo se redujo drásticamente con viajes que iban de veinticinco a treinta y cinco días. Esto fue especialmente beneficioso para los agricultores, ya que sus cultivos ahora podrían transportarse a otros lugares para venderlos.

Steam Engine y progreso social

Las máquinas de vapor son un ejemplo particularmente ilustrativo de cómo los cambios traídos por la industrialización llevaron a cambios aún más en otras áreas. La energía hidráulica, el suministro de energía anterior al mundo, continuó siendo una fuente esencial incluso durante el apogeo de la popularidad de las máquinas de vapor. Sin embargo, la máquina de vapor proporcionó muchas ventajas novedosas. Si bien muchos consideran que el potencial para un aumento en la energía generada es el beneficio dominante (con la potencia promedio de los molinos a vapor que producen cuatro veces la potencia de los molinos que funcionan con agua), otros favorecen el potencial de aglomeración. Los motores de vapor hicieron posible trabajar, vivir, producir, comercializar, especializarse y expandirse de manera viable sin tener que preocuparse por la presencia menos abundante de vías fluviales. Las ciudades y pueblos ahora se construyeron alrededor de fábricas, donde las máquinas de vapor servían como base para el sustento de muchos de los ciudadanos. Al promover la aglomeración de personas, se establecieron mercados locales exitosos. Las ciudades crecieron rápidamente y la calidad de vida finalmente mejoró a medida que se establecía la infraestructura. Se podrían producir bienes más finos a medida que la adquisición de materiales se volviera menos difícil y costosa. La competencia local directa condujo a mayores grados de especialización y la mano de obra y el capital eran abundantes. Las ciudades impulsadas por vapor fomentaron el crecimiento tanto a nivel local como nacional.


Bomba de vapor desarrollada - Historia

Breve historia de la máquina de vapor

Uno de los desafíos industriales más importantes del siglo XVIII fue la extracción de agua de las minas. Se utilizó vapor para bombear el agua de las minas. Ahora bien, esto podría parecer tener muy poco que ver con las modernas centrales eléctricas de vapor. Sin embargo, uno de los principios fundamentales utilizados en el desarrollo de la energía basada en vapor es el principio de que la condensación del vapor de agua puede crear un vacío. Esta breve historia analiza cómo se utilizó la condensación para crear vacío para el funcionamiento de las primeras bombas de vapor, y cómo James Watt inventó el condensador independiente. Aunque los procesos cíclicos presentados en esta historia no se utilizan en las turbinas de vapor de flujo continuo de la actualidad, los sistemas actuales utilizan condensadores separados que operan a presión subatmosférica, adaptando los principios explicados aquí. Además, las historias de los inventores y sus invenciones ofrecen información sobre el proceso de descubrimiento tecnológico.

Uno de los principios más importantes que se aplican en el funcionamiento de la energía de vapor es la creación de vacío por condensación. Este enlace proporciona una ilustración simple usando una botella de refresco y agua hirviendo. La demostración ilustra cómo la condensación dentro de un tanque crea un vacío. La bomba de Savery que se explica a continuación utiliza un método muy similar al método demostrado. Demostración de vacío.

En los primeros días, una forma común de eliminar el agua era usar una serie de cubos en un sistema de poleas operado por caballos. Esto fue lento y costoso ya que los animales requerían alimentación, atención veterinaria y alojamiento. El uso de vapor para bombear agua fue patentado por Thomas Savery en 1698, y en sus palabras proporcionó un "motor para hacer subir agua mediante el fuego". La bomba de Savery funcionaba calentando agua para vaporizarla, llenando un tanque con vapor y luego creando un vacío al aislar el tanque de la fuente de vapor y condensar el vapor. El vacío se utilizó para extraer agua de las minas. Sin embargo, el vacío solo podía extraer agua de profundidades poco profundas. Otra desventaja de la bomba era el uso de presión de vapor para expulsar el agua que se había introducido en el tanque. En principio, la presión podría usarse para forzar el agua del tanque hacia arriba 80 pies, pero las explosiones de calderas no eran infrecuentes ya que el diseño de las calderas presurizadas no estaba muy avanzado. Este enlace tiene detalles del funcionamiento de la descripción de la bomba Savery.

Motor atmosférico de Newcomen

Thomas Newcomen (1663-1729), un herrero, experimentó durante 10 años para desarrollar la primera máquina de vapor verdaderamente exitosa para impulsar una bomba para extraer agua de las minas. Su capacidad para vender el motor se vio obstaculizada por la amplia patente de Savery. Se vio obligado a establecer una empresa con Savery, a pesar del rendimiento mejorado de su motor, las importantes diferencias mecánicas, la eliminación de la necesidad de presión de vapor y el uso del vacío de una manera muy diferente. En la Figura 1 se muestra un esquema de un motor Newcomen. El motor se denomina motor "atmosférico" porque la mayor presión de vapor utilizada está cerca de la presión atmosférica.

Figura 1. Ilustración del motor atmosférico Newcomen para bombear agua.

Principio de funcionamiento. La máquina de vapor consta de un pistón / cilindro de vapor que mueve una gran viga de madera para impulsar la bomba de agua. El motor no usa presión de vapor para empujar el pistón de vapor hacia arriba! Más bien, el sistema está construido para que la viga sea más pesada en el lado de la bomba principal y la gravedad empuje hacia abajo el lado de la viga de la bomba principal. Los pesos se agregan al lado de la bomba principal si es necesario. Las bombas de la Figura 1 expulsan agua en una carrera del pistón de la bomba hacia arriba, de acuerdo con las bombas utilizadas en el equipo en ese momento, y la discusión sigue ese diseño. Para llevar agua a la bomba principal en el lado derecho del diagrama, considere un ciclo que comienza con la viga inclinada hacia abajo a la derecha. El cilindro debajo del pistón de vapor se llena primero con vapor a presión atmosférica y luego se rocía agua en el cilindro para condensar el vapor. La diferencia de presión entre la atmósfera y el vacío resultante empuja el pistón de vapor hacia abajo, tirando del pistón de la bomba principal hacia arriba, elevando el agua por encima del pistón de la bomba principal y llenando la cámara inferior de la bomba principal con agua. En la parte inferior de la carrera del pistón de vapor, se abre una válvula para restaurar el cilindro de vapor a la presión atmosférica, y la viga se inclina hacia la derecha por gravedad, permitiendo que el pistón principal caiga. A medida que cae el pistón principal, el agua de debajo del pistón pasa a la cámara por encima del pistón, como se explica más adelante. El vapor a presión atmosférica ingresa al cilindro de vapor durante este paso, lo que permite que se repita el proceso.

¡El motor Newcomen fue la mejor tecnología durante 60 años! Algunos motores Newcomen se utilizaron durante mucho más tiempo, a pesar de que eran significativamente inferiores a los motores Watt que siguieron. Para obtener más detalles del funcionamiento y fotos del motor Newcomen más antiguo existente, consulte la Descripción del motor Newcomen.

Motor de vapor atmosférico Watt

Figura 2. Ilustración del motor atmosférico Watt para bombear agua. No se muestra la bomba principal. (Adaptado del grabado de Stuart, 1824, p 114.).

Los motores Newcomen eran extremadamente ineficientes. Los usuarios reconocieron cuánta energía se necesitaba. El cilindro de vapor se calentó y enfrió repetidamente, lo que desperdició energía para recalentar el acero y también provocó grandes tensiones térmicas. James Watt (1736-1819) hizo un gran avance al usar un condensador separado. Watt descubrió el condensador independiente en 1765. (Véase el Experimento de Watt.) ¡Pasaron 11 años antes de que viera el dispositivo en la práctica! El mayor impedimento para la implementación del motor Watt fue la tecnología para hacer un pistón / cilindro grande con tolerancias lo suficientemente cercanas como para sellar un vacío moderado. La tecnología mejoró casi al mismo tiempo que Watt encontró el respaldo financiero que necesitaba a través de una asociación con Matthew Boulton.

Principio de funcionamiento. El motor Watt, como el motor Newcomen, funcionaba según el principio de una diferencia de presión creada por un vacío en un lado del pistón para empujar el pistón de vapor hacia abajo. Sin embargo, el cilindro de vapor de Watt permaneció caliente en todo momento. Las válvulas permitieron que el vapor fluyera a un condensador separado y luego el condensado se bombeó junto con los gases utilizando la bomba de aire. (Ver Figura 2.)

Para obtener más detalles del funcionamiento y fotos de un par de motores Watt utilizados para bombear agua, consulte la Descripción del motor Watt.

El pistón de doble efecto y el motor rotativo

Figura 3. Ilustración del motor de doble acción Boulton-Watt. (Adaptado del grabado de Stuart, 1824, p 128).

Watt y Boulton aplicaron con éxito su motor para bombear agua de pozos. Boulton era un industrial de gran visión y aprovechó la oportunidad para aplicar el motor a otras industrias. Al mover la máquina de vapor al interior, el dispositivo se volvió útil para operar molinos y fábricas textiles, etc.

El motor que se muestra a la izquierda es un ejemplo de un motor de finales del siglo XVIII. Tenga en cuenta que la cadena que conectaba el pistón a la viga en los motores anteriores ha sido reemplazada por un mecanismo de movimiento paralelo. Watt le dijo a su hijo que estaba aún más orgulloso de este invento que del motor en sí. El mecanismo hizo posible que el pistón actuara en un movimiento ascendente / descendente perfectamente alineado mientras la viga trazaba un arco. ¡El mecanismo también hizo posible transferir el trabajo en el movimiento ascendente! Steam es finalmente haciendo trabajo empujando hacia arriba! Las calderas utilizadas para este dispositivo también son calderas a presión atmosférica. El espacio del cilindro sobre el pistón está conectado al vacío del condensador para permitir que el vapor empuje hacia arriba el pistón.

El motor de la izquierda también contiene otra mejora que era necesaria para operar maquinaria a una velocidad constante: un regulador de velocidad conectado a una válvula de mariposa.

Para obtener más detalles sobre el motor de doble acción, el mecanismo de movimiento paralelo, el regulador de velocidad, así como el sistema de engranajes planetarios y solares (no se muestran en la Figura 3), incluidas las fotos, consulte la Descripción del motor de doble acción.

Biografía de James Watt y la historia del motor

La historia de James Watt y el desarrollo del motor es extremadamente interesante. Utilice este enlace para encontrar la biografía de Watt. La historia te ayuda a comprender cómo el motor se convirtió en algo más que una bomba de agua y cómo los desarrollos anteriores se relacionan con el hombre y los tiempos.

Breve bibliografía de libros y recursos para estudiar motores de vapor y James Watt


Robert Fulton

Nuestros editores revisarán lo que ha enviado y determinarán si deben revisar el artículo.

Robert Fulton, (nacido el 14 de noviembre de 1765, condado de Lancaster, Pensilvania [EE. UU.] - muerto el 24 de febrero de 1815, Nueva York, Nueva York), inventor, ingeniero y artista estadounidense que llevó el barco de vapor de la etapa experimental al éxito comercial. También diseñó un sistema de vías navegables interiores, un submarino y un buque de guerra a vapor.

Fulton era hijo de inmigrantes irlandeses. Cuando su granja improductiva se perdió por ejecución hipotecaria en 1771, la familia se mudó a Lancaster, donde murió el padre de Fulton en 1774 (no en 1786 como se escribe generalmente). Después de haber aprendido a leer y escribir en casa, Fulton fue enviado a los ocho años a una escuela cuáquera. Posteriormente se convirtió en aprendiz en una joyería de Filadelfia, donde se especializó en la pintura de retratos en miniatura sobre marfil para medallones y anillos.

Después de instalar a su madre en una pequeña granja en el oeste de Pensilvania en 1786, Fulton fue a Bath, Virginia, para recuperarse de una tos severa. Allí, las pinturas del joven —alto, elegante y conversador simpático— fueron admiradas por personas que le aconsejaron estudiar en Europa. Al regresar a Filadelfia, Fulton se dedicó a la pintura y la búsqueda de un patrocinador. Los comerciantes locales, deseosos de elevar el nivel cultural de la ciudad, financiaron su pasaje a Londres en 1787.

Aunque la recepción de Fulton en Londres fue cordial, sus pinturas causaron poca impresión, no mostraban ni el estilo ni la promesa necesarios para proporcionarle más que una vida precaria. Mientras tanto, se familiarizó con nuevos inventos para propulsar barcos: un chorro de agua expulsado por una bomba de vapor y una sola paleta mecánica. Sus propios experimentos lo llevaron a concluir que varias paletas giratorias en la popa serían las más efectivas.

Sin embargo, a partir de 1794, habiendo admitido la derrota como pintor, Fulton dirigió sus principales esfuerzos hacia la ingeniería de canales. Su Tratado sobre la mejora de la navegación por canales, en 1796, se ocupó de un sistema completo de transporte de aguas interiores basado en pequeños canales que se extendían por todo el campo. Incluyó detalles sobre planos inclinados para levantar botes (no favoreció las esclusas), acueductos para cruces de valles, botes para carga especializada y diseños de puentes con vigas de arco para transmitir solo cargas verticales a los muelles. Se construyeron algunos puentes según su diseño en las Islas Británicas, pero sus ideas sobre canales no fueron aceptadas en ninguna parte.

Impertérrito, viajó en 1797 a París, donde propuso la idea de un submarino, el Nautilo, para ser utilizado en la guerra de Francia con Gran Bretaña: se deslizaría bajo los cascos de los buques de guerra británicos y dejaría una carga de pólvora para explotar más tarde. Sin embargo, el gobierno francés rechazó la idea por considerarla una forma atroz y deshonrosa de luchar. En 1800 pudo construir el Nautilo A costa suya. Realizó pruebas en el Sena y finalmente obtuvo la sanción del gobierno por un ataque, pero el viento y la marea permitieron a dos barcos británicos eludir su lento barco.

En 1801, Fulton conoció a Robert R. Livingston, miembro del comité que redactó la Declaración de Independencia de Estados Unidos. Antes de convertirse en ministro de Francia, Livingston había obtenido un monopolio de 20 años de navegación en barcos de vapor dentro del estado de Nueva York. Los dos hombres decidieron compartir el gasto de construir un barco de vapor en París usando el diseño de Fulton: un bote de 66 pies (20 metros) de largo con un motor de ocho caballos de fuerza de diseño francés y ruedas de paletas laterales. Aunque el motor rompió el casco, se sintieron alentados por el éxito con otro casco. Fulton ordenó piezas para un motor de 24 caballos de fuerza de Boulton y Watt para un barco en el Hudson, y Livingston obtuvo una extensión de su monopolio de navegación en barcos de vapor.

Al regresar a Londres en 1804, Fulton presentó sus ideas con el gobierno británico para embarcaciones sumergibles y de poca altura que llevarían explosivos en un ataque. Sin embargo, dos incursiones contra los franceses utilizando su novedoso arte no tuvieron éxito. En 1805, después de la victoria de Nelson en Trafalgar, era evidente que Gran Bretaña controlaba los mares sin la ayuda de las armas temperamentales de Fulton. En el mismo año, las partes para su barco de vapor proyectado estaban listas para su envío a los Estados Unidos, pero Fulton pasó un año desesperado tratando de cobrar el dinero que sentía que los británicos le debían.

Al llegar a Nueva York en diciembre de 1806, Fulton se puso inmediatamente a trabajar supervisando la construcción del barco de vapor que se había planeado en París con Livingston. También intentó interesar al gobierno de los Estados Unidos en un submarino, pero su demostración fue un fiasco. A principios de agosto de 1807, una longitud de 45 metros (150 pies) Buque de vapor, como lo llamó Fulton, estaba listo para los juicios. Su motor de vapor de condensación de un solo cilindro (24 pulgadas de diámetro y cuatro pies de carrera) impulsaba dos ruedas de paletas laterales de 15 pies de diámetro que consumía combustible de roble y pino, que producía vapor a una presión de dos a tres libras por pulgada cuadrada. La prueba de 150 millas (240 km) de Nueva York a Albany requirió 32 horas (un promedio de casi 4,7 millas [7,6 km] por hora), un tiempo considerablemente mejor que las cuatro millas por hora requeridas por el monopolio. La travesía fue épica porque los balandros de vela requerían cuatro días para el mismo viaje.

Después de construir una casa de máquinas, levantar el baluarte e instalar literas en las cabañas del ahora renombrado Barco de vapor del río norte, Fulton inició viajes comerciales en septiembre. Realizaba tres viajes de ida y vuelta quincenales entre Nueva York y Albany, transportando pasajeros y carga ligera. Sin embargo, persistían los problemas: las dificultades mecánicas, por ejemplo, y los celosos barqueros de la balandra, que por “inadvertencia” embestían las desprotegidas ruedas de paletas de sus nuevos rivales. Durante la primera temporada de invierno, endureció y ensanchó el casco, reemplazó el cigüeñal de hierro fundido con un forjado, colocó protectores sobre las ruedas y mejoró el alojamiento de los pasajeros. Estas modificaciones lo convirtieron en un barco diferente, que se registró en 1808 como el Barco de vapor North River de Clermont, pronto reducido a Clermont por la prensa.


Thomas Newcomen (1663 a 1729)

Thomas Newcomen fue un herrero inglés que inventó la máquina de vapor atmosférica. La invención fue una mejora con respecto al diseño anterior de Thomas Savery.

La máquina de vapor Newcomen utilizó la fuerza de la presión atmosférica para hacer el trabajo. Este proceso comienza con el motor bombeando vapor a un cilindro. Luego, el vapor se condensó con agua fría, lo que creó un vacío en el interior del cilindro. La presión atmosférica resultante hizo funcionar un pistón, creando carreras descendentes. Con el motor de Newcomen, la intensidad de la presión no estaba limitada por la presión del vapor, una desviación de lo que Thomas Savery había patentado en 1698.

En 1712, Thomas Newcomen, junto con John Calley, construyeron su primer motor en la parte superior de un pozo de mina lleno de agua y lo usaron para bombear agua fuera de la mina. El motor Newcomen fue el predecesor del motor Watt y fue una de las piezas de tecnología más interesantes desarrolladas durante la década de 1700.


Motores de vapor de alta presión

Aunque Watt entendió las ventajas de utilizar el poder expansivo del vapor dentro de un cilindro, se negó a usar vapor a alta presión por razones de seguridad. Esto limitó la aplicación de máquinas de vapor. Sin embargo, en los primeros años del siglo XIX, el inventor estadounidense Oliver Evans había construido una máquina de vapor estacionaria de alta presión para impulsar una trituradora giratoria para producir piedra caliza pulverizada para uso agrícola. Within a few years Evans had designed lighter-weight high-pressure steam engines that could do various other tasks, such as drive sawmills, sow grain, and power a dredge. From 1806 to about 1816 he produced more than 100 steam engines that were employed with screw presses for processing paper, cotton, and tobacco.

Other major advances in the use of high-pressure steam were achieved by Richard Trevithick in England during the early years of the 19th century. Trevithick built the world’s first steam-powered railway locomotive in 1803. Two years later he adapted his high-pressure steam engine to drive an iron-rolling mill and to propel a barge with the help of paddle wheels.

Watt’s engine was able to convert only a little more than 2 percent of the thermal energy in steam to work. The improvements introduced by Evans, Trevithick, and others (e.g., three separate expansion cycles and higher steam temperatures) increased the efficiency of the steam engine to roughly 17 percent by 1900. Yet, within the next decade the steam engine was supplanted for various important applications by the more efficient steam turbine. Owing to technological advances and the use of high-temperature steam, steam turbines have attained an efficiency of thermal energy conversion of approximately 40 percent.


Steam Pump Developed - History

The October 2013 Engine Show of the Coolspring Power Museum witnessed the successful completion of a twenty year project with the dedication and successful operation of its 600 hp Snow gas engine. What a magnificent event, and all the visitors were impressed! Many long hours from a dedicated volunteer staff made this dream possible and, with the nice weather, the engine performed on schedule beautifully. The event closed with a very satisfied feeling from the crew.

Now, as snow covers the museum outside as well as much of the equipment, I would like to reflect on the Snow engine in this two part Flywheel artículo. In the first part, the history of the company and the engine, as well as the people who made it happen, will be discussed. Next month's article will feature the Coolspring engine and how it was saved, moved to our location, and put into operation. Much of this material has never before been published in one work, and it is hoped that the reader will enjoy.

Our story unfolds in 1840 when 23 year old Henry Rossiter Worthington becomes interested in steam boats on the Erie Canal . Already a hydraulic engineer, he noticed that when the boats waited to get through the locks and the main engines were not operating, the boiler feed water pumps had to be operated by hand to keep the boilers filled. Believing that he could solve this problem, he invented a simple reciprocating steam pump that operated automatically to keep the boilers filled to the desired pressure. Photo 1is a drawing of this pump and it is said that it was in operation for 30 years. In 1845, he joined with William Barker in the firm " Worthington and Barker," located in Brooklyn , New York , to manufacture these pumps. It is of note that Worthington pumps were used on the Union 's ironclad steamship, Monitor, in the Civil War. Henry died in 1881 and his son, Charles C. Worthington, then 27, took over the company. He was very aggressive, expanded the business, and soon became very wealthy.

The duplex steam pump is such a wonderfully simple, yet magnificently practical, invention. Having no rotating parts, it consisted of two steam cylinders providing the power to two pumping cylinders with each power and pump piston mounted on a common piston rod. When one cylinder acted, it triggered a steam valve that then operated the other cylinder which then acted on a valve to again operate the first cylinder. As the fluid discharge pressure equaled the steam pressure, the pump simply stopped to begin again when discharge pressure lowered. There is a restored Worthington steam pump operating in the museum's Pump House. Many of these steam pumps are still manufactured and in use today. The Disney steamboat Liberty Belle, in Orlando , Florida, uses two of them to keep its boilers full!

Over the ensuing years, the steam pump business flourished as they were adapted to many uses. Municipal water works found these pumps very dependable and they were made in huge sizes to meet the demand. Many persons entered the steam pump business. In 1889, we find James H. Snow and Daniel O'Day, former employees of National Transit Company of Oil City , Pennsylvania , forming the Snow Steam Pump Works in Buffalo , New York . This seemed a perfect location, with Lake Erie and the Erie Canal nearby demanding pumps for their vessels. For their plant superintendent, they hired a gentleman from Worthington who brought many of those designs with him. The firm prospered as seen in Photo 2showing the new factory. An 1892 "Oil Well Supply" catalog, Photo 3,shows the typical Snow duplex steam pump, identical to ones still used today. In 1896, Snow built a huge high duty, vertical, triple expanding steam pump for the Indianapolis , Indiana , water company. This huge pump had a 5 foot stroke and operated at 21 rpm, producing 775 hp and delivering 20 million gallons of water per day.

With the dawn of the twentieth century approaching, the days of the huge steam pumps were in decline. Soon they would give way to the new technology, the internal combustion engine. Snow realized this and hired John Klein, Chief Engineer for National Transit Company, as his Consulting Engineer. Since Snow was a former National Transit employee, these two men most likely were friends. However, it does seem odd that Klein would design a new engine for his own firm's competition! No explanation has been found for this.

So the first four engine compressor units built by the Snow Steam Pump Works in Buffalo , New York , were John Klein's design. As shown in Photo 4,these engines had two opposed power cylinders, with a 25 inch bore and 48 inch stroke, next to two opposed compressor cylinders mounted on a common crankshaft. The bore of the compressor was 16 inches with a 24 inch stroke. There was a flywheel on each end of the crankshaft. Being installed in 1899 and 1900, two engines were bought by the Central Ohio Natural Gas & Fuel Company to be used in their Lancaster , Ohio, plant and the other two were purchased by Northwestern Ohio Natural Gas Company for their Wheeler Station in Sugar Grove , Ohio . A new era was born with the production and transportation of large quantities of natural gas and this demanded large and efficient natural gas operated compressors to facilitate transportation of the gas.

After the completion of these engines, Snow branched off into its own design of tandem cylinder engines as seen in the Coolspring engine. Their catalog of 1914 simply states that further engines were, "of their (Snow's) own design". The firm had wisely listened to the suggestions of the operators of the big natural gas companies throughout the United States and what their needs would be. Snow's business prospered and they soon branched into engines for electric generation and other power purposes. Photo 5is an early page from the Snow records showing the diversity of size and purpose of the engines. The catalog further states, "Careful attention has always been given to the fact that engines for gas country service cannot be built too substantial, and the metal has been well distributed over one continuous block of concrete, making the machine a solid and substantial one." This explains the massive proportions always noted in the Snow engines. The catalog concludes by noting that 116 engines had been placed into service by 1914.

Very early, Snow was building some of the largest gas engines known. Photo 6shows a 4,000 hp Type A design with an integral electric generator beside the flywheel. This engine had a 42 inch bore and 60 inch stroke with a unique valve mechanism. Note the size of the operator in the center of the photo! It was guaranteed to have a 33% non-continuous overload capacity. Photo 8shows some other large electric generating engines at the Carnegie Steel Works in Youngstown , Ohio. Again, note the size of the person at the foot of the stairs. The 1914 catalog included the following picture of Cross Station, now known as Heath Station, in 1914. Photo 7shows this typical natural gas compressor station installation still under construction. Many of these stations were in remote locations but near the natural gas supply. This certainly complicated the process of transporting heavy engine parts and constructing the foundations and buildings.

The entire power end of the Snow engine, which consists of two double-acting cylinders (fires on both sides of the piston) placed in tandem (one in front of the other) operates the gas compressor located behind the crankshaft. Snow would supply compressors from other manufacturers if specified by the buyer, but preferred to use their own as shown in Photo 9.This compressor was also double-acting and had a power stroke from the engine for every stroke it traveled. This design was very efficient to have the engine and compressor made into one unit. Photo 10shows the layout of the complete station with the interconnections of pipes joining the multiple units.

Birdsill Holly was an inventor from Lockport , New York, and formed the Holly Manufacturing Company to produce huge triple expanding vertical steam pumps similar to those of Snow and Worthington . Fortunately, five of these pumps still exist in the Colonel Ward Pumping Station in Buffalo , New York, and can be viewed by the public on certain dates each year. Holly died in 1894 but the final blow was a disastrous fire as well as a loan foreclosure by Charles C. Worthington that spelled the end for Holly. The firm was then absorbed by Snow and the name changed to the Snow-Holly Steam Pump Works of Buffalo, New York, probably about 1902.

Then came the great merger. Probably caused by the panic of 1899, Charles C. Worthington, always aggressive and wealthy, saw his opportunity to expand and formed the International Steam Pump Company that included many firms now finding themselves in financial duress. The new company included the Snow Steam Pump Works, the Holly Manufacturing Company, the Clayton Air Compressor Works, Blake and Knowles Steam Pump Works, the Deane Team Pump Company, Laidlaw-Dunn-Gordon Company, and the Power and Mining Machinery Company. This accounts for the name, "International Steam Pump Company" on the nameplate of some of the engines at Heath Station. All production was integrated into the Snow Works at Buffalo , New York, except the Deane Steam Pump Company, which stayed in Holyoke , Massachusetts, as "The Deane of Holyoke," and the Power and Mining Machinery Company of Cudahy , Wisconsin . The latter then manufactured the INGECO line of horizontal engines, including farm engines. The International Steam Pump Company name was finally changed to the Worthington Pump and Machinery Corporation in 1916. It was then incorporated as a public company not solely owned by Charles Worthington. This is why Coolspring's engine, built in 1917, bears the Worthington name plate.

Following the merger, both Snow and Deane continued to flourish under the Worthington umbrella. The Snow-Holly Works, later known as the Worthington Buffalo Works, continued to build huge tandem, double-acting gas compressing engines to fill the market's demand. Most notable in this evolution was the placement of the intake and exhaust valves directly on the top and bottom of the cylinder, thus eliminating the side valve chest. Photo 11from the mid-1920s shows this improvement. This plant actually has 16 Worthington engines of 680 hp each with a bore and stroke of 18 1/2 by 20 inches. The photo also suggests that the ignitors have been abandoned in favor of spark plug ignition. Otherwise, the engines are remarkably similar to prior models.

Photo 12depicts a very busy erecting floor at the Buffalo Works in 1935. The building appears to be huge with many engines in various stages of completion. All these grand machines had to be assembled, test run, then taken apart again to be shipped to their final locations. Also new, circa 1935, was a smaller engine not using the tandem cylinder configuration that had been the standard of the firm. As seen in Photo 13,this unit had twin, double-acting power cylinders and opposed compressors. Note the outboard sideshafts that made a more space saving design. An engine like this operates at the Western Minnesota Steam Threshers Reunion in Rollag , Minnesota .

Gradually the demand for these huge engines declined but Worthington had kept up with the market by designing, in 1927, an angle-type integral gas engine compressor with vertical power cylinders and horizontal compressors. The last of the Snow heritage engine compressors were 1,600 hp units of 26 inch bore and 36 inch stroke. They were delivered in June 1951, closing the chapter of these wonderful machines forever. Worthington continued to manufacture vertical engine compressors in Buffalo into the 1970s when production decreased to compressors and service parts. The great Buffalo Works closed in 1987 with the combining of all firms into Dresser-Rand Company of Painted Post, New York . However, the Snow Engine will always live on in the ones that have been saved and those in our memories. Ver Photo 14.

I wish to give special credit and thanks to two individuals whose untiring research made this brief work possible. It is my desire to incorporate this work, and the upcoming second part, into one comprehensive booklet sometime in the future.

Loree A. D. Paulson, PE: He was the last president of Worthington Compressors in Buffalo , NY, and retired in 1993 as vice president of Dresser-Rand.

Thomas "Mac" Sine, ME: He is Senior Analytical Engineer with his primary function being Gas Engine Engineering. He has completed 25 years of service with Dresser-Rand in Painted Post, NY.

Please come to Coolspring for our June 2014 Expo and watch the Snow run. It will be held June 19, 20, and 21, 2014. See you then!


Historia

The first pump manufactured was in 1993 of a 1” scale single cylinder pump based upon an article that first appeared in Modeltec. It took 2+ years to get it to operate somewhat reliably and after discussing the project with other club members who had tried to build the same model, I realized that I was not alone with my experiences.

During this time period (1990 – 1996), I was employed by the Ohio Central Railroad Steam Passenger department as a Fireman, Machinist, and eventually Steam Locomotive Engineer. The inspiration to develop a better looking and more reliable pump was reinforced each day when I would start up the pair of Westinghouse 9.5” single cylinder air compressors used for our train air brake system.


1999, I started to design a scale pump using 3-D solid modeling software. The design criteria I set for myself was to:
1) make is scale in overall proportions (external cylinder diameter and length, overall height, bolt count, etc.)
2) Design to use O-rings wherever possible to avoid using graphite string packing.

For manufacturing, I incorporated into the manufacturing process for the Steam and Water piston bores to be honed on a Sunnen Precision Hone machine to ensure roundness, straightness, and smoothness of bore, thereby guaranteeing sealing ability of the O-rings while minimizing drag.

2000 , I produced the first 1.5” scale water pump and offered it to a fellow Live Steamer for extensive testing.

2001 , Two important developments took place. First, I incorporated the “stepped face steam piston” concept to all pumps. This allows more of the piston end face to be exposed to live steam when piston has reached the end of the stroke. With a flat face piston, the only surface area (and resulting force) acting upon the piston is the .078” diameter steam port opening at the ends of the cylinder. At 100 psi, the force acting upon the piston is only 0.477 pounds, hardly enough needed to overcome friction from all of the O-ring seals. This was recognized as a major reason why many other pump designs also tend to stall and fail in the field. I was asked to rebuild other pump manufacturer designs, fitting them with improved pistons which made them work just as well as mine.




Traditional Steam Piston at end of cylinder stroke


The second important development was to address the design, manufacturing, and operation problems associated with the composite shuttle piston + slide valve design commonly found on all single cylinder pumps.


Sitting in my living room during a wintry afternoon, I laid out the plans to make a single piston “switch” using only O-rings to seal the many ports to the cylinders, exhaust, steam supply, and signal ports. New fixtures and new tooling were designed and built and after the prototype was built, live steam testing proved that the response time for the pump to cycle was far superior to the previous design. In addition to the advantage of having a smooth straight bore for the shuttle piston to travel, there is also no large steam chest as with the previous design for steam to expand, cool, and condense into. The shuttle piston design solves the manufacturing, operation, and maintenance issues experienced with the traditional design. With only O-rings to replace, there is no more lapping and no metal-to-metal contact to scar the sealing surfaces.


2002 I designed and built the first 1.5” scale single cylinder air compressor easily capable of quickly charging up a scale reservoir up to within 5 psi of the steam cylinder pressure.

2002 Designed and built a 1” scale water pump.

2003 Designed and built the first 2.5” scale water pump

2004 Designed and built the first 2.5” scale air compressor

2005 Designed and built the first 2-cylinder, high flow rate water pump


2009 Designed and build Okadee style cylinder drains, using my shuttle piston design concept.

2009 Successfully tested Aflas elastomer O-rings for all steam sealing and switching applications.

2011 Redesigned some of the steam head drill fixtures, combining two drilling operations into one.

2013 , Designed and built a practical Westinghouse cross compound top head assembly, using a piston style control valve.

Today, pumps are made on an “as-order” basis since each customer has unique pipe configuration needs. Many of the base components are in stock, leaving manufacture and assembly of the customer specific configuration components as the primary lead time driver.


Ver el vídeo: Cumbres De Las Ciencias Y La Técnica 087 James Watt Y La Máquina A Vapor (Julio 2022).


Comentarios:

  1. Zugal

    Comparto completamente su punto de vista. Me gusta esta idea, estoy totalmente de acuerdo contigo.



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