Máquinas térmicas

La máquina de Savery.

La máquina de Savery fue inventada en 1698, por Thomas Savery.  Su único uso fue el de bombardear agua fuera de las minas. Era además una máquina atmosférica, pues hacía uso de la presión atmosférica para generar potencia, como consecuencia sólo podía elevar agua hasta los 32 pies, debido a que esa es la altura a la cual la presión de una columna de agua iguala a la atmósfera.

Su funcionamiento consiste en un depósito conectado a una caldera y a dos tuberías, una de las cuales lo conectaba al agua de la mina que se pretendía extraer y otra al exterior. La máquina posee una válvula conectada a la caldera que se abre para llenar un cilindro con vapor, por una válvula antirretorno se extrae el aire del cilindro. Posteriormente se cierra la válvula de suministro y la de extracción, se enfría el cilindro haciendo chorrear a través de otra válvula agua fría, por tanto este se condensa, y hace vacío. A través de una tubería, el cilindro está conectado al agua del interior de la mina, por lo que, al hacerse el vacío el agua asciende y lo llena a través de una válvula antirretorno. Para vaciar el cilindro se vuelve a abrir la válvula conectada a la caldera, el vapor hace que el agua salga por la misma válvula antirretorno por la que se extrajo el aire.

Las válvula C y D permanecen cerradas mientras A y B se abren. El vapor a presión de la caldera desplaza el agua líquida que hay en cilindro, por lo cual el agua sale despidida por la válvula B hasta afuera de la mina. Eliminada el agua, se abren D y C. Desde C llega agua fría que condensa el vapor y por tanto una baja en la presión interna del cilindro. Desde la válvula D, por la diferencia de presión, el agua de la mina sube.

Máquina de Newcomen.

La máquina se Newcomen  fue inventada por el Thomas Newcomen en 1712, y fue reemplazada por la máquina de Watt en 1770. Esta máquina fue mucho más exitosa que la de Savery, pues tuvo una vida útil más larga. Al igual que la de Savery era una máquina atmosférica, y generaban vacío a través de un enfriamiento, la diferencia estaba que mientras la máquina de Savery utilizaba el vacío para succionar el agua de la mina, la máquina de Newcomen utilizaba el vacío para hacer mover una viga hacia abajo.

Su funcionamiento consiste en suministrar calor a través de una válvula conectada a una caldera a un cilindro provisto de un pistón móvil. Este pistón sube por la presión del vapor, cuando este sube una viga baja hacia el depósito de agua de una mina. Cuando el pistón ha llegado al tope, se cierra la válvula de suministro de vapor y a través de una válvula se suministra agua fría haciendo condesar el vapor, por tanto el pistón comienza a bajar, volviendo a su posición original debido a la presión del aire, con esto la viga sube. A través de otra válvula se expulsa el agua acumulada devuelta al calentador, así ahorrando el calor, esto último constituye una pequeña mejora a la de Savery. Cuando del cilindro se expulsa el agua el proceso puede volver a comenzar.

Máquina de Watt.

Cuando la máquina de Newcomen tenía fallas era llevada al taller de James Watt. Watt se da cuenta que su principio no resulta ser muy económico. Cuando el cilindro se llena de vapor es sometido a un gran calentamiento, cuando se inyecta agua fría para condensarlo el cilindro se enfría mucho. Cuando se calienta el cilindro se desperdicia buena parte del calor suministrado. ¿Realmente era necesario dejar enfriar el cilindro una y otra ves? pues sería mucho más eficiente dejarlo caliente, pero ¿como hacer entonces para poder condensar el vapor? En ese momento a Watt se le ocurre una gran idea, utilizar dos cilindros distintos.

Su funcionamiento consiste en suministrar vapor proveniente de una caldera, el cual pasa a través de una válvula a un cilindro provisto de un pistón móvil. Al igual que la máquina de Newcomen el pistón se eleva, y por tanto la viga baja. Ahora, el proceso de enfriamiento es distinto, para esto se cierra la válvula y se abre otra válvula por la cual el vapor caliente sale hacia otro cilindro, el condensador, haciendo bajar el cilindro de nuevo a su posición original, y así haciendo subir la viga con el agua de la mina.

Allí en el condensador el vapor se condensa y es expulsado por otra válvula. Luego de esto puede volver a repetirse el ciclo sin necesidad de enfriar el cilindro de vapor.

Para mejorar el rendimiento esta máquina, Watt crea una nueva máquina, la máquina de vapor de doble efecto. Esta máquina esta constituida por dos válvula en la parte superior y dos abajo. Su funcionamiento es el siguiente: Primero el vapor fluye hacia el cilindro haciendo que el pistón se desplace hacia abajo (abriendo la válvula 1 de arriba).

Según esto, la presión del vapor debe ejercerse en la dirección opuesta. Cuando el pistón llega al tope se cierra la válvula de suministro de arriba y se abre una de abajo (válvula 1 de abajo). Ahora, el calor ingresa desde abajo impulsando el pistón nuevamente hacia arriba, y para que el vapor presente no impida subir al pistón, cuando se abre la válvula a abajo se abre una segunda válvula arriba (válvula 2 de arriba), la cual es el camino que va hacia el condensador, así el pistón puede volver a subir sin problemas.

Cuando el pistón llega al tope de arriba el proceso puede volver a comenzar. Se abre la válvula conectada a la caldera para que entre vapor caliente, simultáneamente se abre una válvula abajo (válvula 2 de abajo) para que el vapor restante se desplace hacia el condensador, cuando se encuentre abajo se cierra arriba (válvula 1 de arriba), se abre la válvula de abajo (válvula 1 de abajo) y simultáneamente una válvula arriba que conduce al vapor sobrante al condensador (válvula 2 de arriba) para que este puede volver a subir.

A través de esta técnica James Watt logra provechar ambos movimientos del pistón, y así aumentando su rendimiento en comparación con la anterior máquina. El movimiento del pistón, en la máquina de doble efecto, también se puede adecuar para transformarlo en un movimiento rotativo, de esta manera la máquina de vapor no sólo se puede utilizar para sacar agua de las minas, sino que también sirve para impulsar otras máquinas.