Máquinas de vapor: desde la primera máquina de vapor hasta la actualidad. ¿Coche de vapor en el siglo XXI? Es más real que nunca Quién inventó 1 máquina de vapor
Polzunov, Iván Ivánovich
- un mecánico que arregló la primera máquina de vapor en Rusia; hijo de un soldado de las compañías mineras de Ekaterimburgo, a los diez años ingresó en la escuela de aritmética de Ekaterimburgo, donde completó el curso con el título de estudiante de mecánica. Entre varios jóvenes, Polzunov fue enviado a Barnaul a las fábricas mineras estatales, donde en 1763 fue maestro principal. Al estar involucrado en la construcción de máquinas con motores de agua utilizados en fundiciones y minas, Polzunov llamó la atención sobre la dificultad de colocar tales máquinas en áreas alejadas de los ríos y se decidió por la idea de utilizar vapor como motor. Hay alguna evidencia que sugiere que este pensamiento no se le ocurrió de forma independiente, sino bajo la influencia del libro de Schlatter: "Instrucción detallada para la minería" (San Petersburgo, 1760), en cuyo décimo capítulo se encuentra la primera descripción en ruso. fue publicado. máquina de vapor, a saber, la máquina de Newcomen. Polzunov asumió enérgicamente la implementación de su idea, comenzó a estudiar la fuerza y las propiedades del vapor de agua, dibujó dibujos e hizo modelos. Convencido, después de largas investigaciones y experimentos, de la posibilidad de reemplazar la fuerza motriz del agua con el poder del vapor y probarlo en modelos, en abril de 1763 Polzunov se dirigió al jefe de las fábricas Kolyvano-Voskresensky, el general de división A. I. Poroshin, con una carta en la que, esbozando los motivos que lo impulsaron a encontrar una nueva fuerza, solicitó fondos para la construcción de la "máquina de fuego" inventada por él. El proyecto de Polzunov se informó al Gabinete de Su Majestad con una solicitud de liberación de la cantidad necesaria para la construcción de la máquina. Según el informe del Gabinete, siguió un decreto de Catalina II, por el cual ella, "para mayor estímulo", otorgó a Polzunov a los mecánicos con un salario y el rango de capitán-teniente de ingeniería, ordenó emitir 400 rublos como un premio. y señaló, "si no es necesario en las fábricas, enviarlo a San Petersburgo, con plata" durante dos o tres años a la Academia de Ciencias, para reponer la educación. Pero las autoridades no dejaron ir a Polzunov y pidieron que fuera enviado a la Academia de Ciencias por un tiempo para ser cancelado, "porque hay una extrema necesidad de él aquí, para llevar a la práctica esa máquina que funciona en parejas". En vista de esto, Polzunov tuvo que permanecer en Siberia hasta el final del caso. Hasta entonces, también se pospuso la emisión de los 400 rublos mencionados anteriormente. Se le entregó, según el presupuesto que se le presentó, las cantidades y materiales necesarios, y se le dio la oportunidad de iniciar la construcción. El 20 de mayo de 1765, Polzunov ya informó que trabajo de preparatoria completado, y que la máquina se pondrá en funcionamiento en octubre del mismo año. Pero en ese momento el auto no estaba listo. Un cúmulo de dificultades imprevistas y la inexperiencia de los obreros frenaba el avance de la obra. Además, muchos de los materiales necesarios para construir la máquina no se podían obtener en Siberia. Tuve que escribirlos desde Ekaterimburgo y esperar que fueran enviados dentro de unos meses. En diciembre de 1765, Polzunov terminó el automóvil, gastando 7435 rublos en él. 51 coronas. Sin embargo, no pudo ver su invento en acción. La prueba del automóvil estaba programada en Barnaul para el 20 de mayo de 1766, y el 16 de mayo del mismo año, Polzunov ya había muerto "por una hemorragia laríngea grave". La máquina de Polzunov, bajo la dirección de sus alumnos Levzin y Chernitsin, fundió 9335 elementos de minerales de Zmeinogorsk en Barnaul en dos meses, pero pronto se terminó su operación en Barnaul "como innecesaria", y no hay información sobre si se usó en aquellos que no tenía motores accionados por agua. La planta de Zmeinogorsk y la mina Semenovsky, donde el propio inventor y sus superiores pretendían originalmente, En 1780, "la máquina construida por Polzunov, operada por vapor, y la estructura se rompieron". El Museo Minero de Barnaul tiene un modelo de la máquina de Polzunov. A Polzunov no se le puede atribuir, como hacen algunos, el honor de inventar la primera máquina de vapor. Sin embargo, la máquina de Polzunov fue, de hecho, la primera máquina de vapor construida en Rusia y no ordenada desde el extranjero; el uso en 1765 de una máquina de vapor no para levantar agua, sino para otro propósito industrial, debe considerarse un invento independiente, ya que en Inglaterra el primer uso de una máquina de vapor para bombear aire se hizo recién en 1765.
Las oportunidades en el uso de la energía del vapor se conocían a principios de nuestra era. Esto lo confirma un dispositivo llamado eolipilo de Garza, creado por el antiguo mecánico griego Garza de Alejandría. Se puede atribuir un invento antiguo a una turbina de vapor, cuya bola giraba debido al poder de los chorros de vapor de agua.
Fue posible adaptar el vapor para el funcionamiento de los motores en el siglo XVII. No usaron tal invento por mucho tiempo, pero hizo una contribución significativa al desarrollo de la humanidad. Además, la historia de la invención de las máquinas de vapor es muy fascinante.
concepto
La máquina de vapor consiste en un motor térmico de combustión externa que, a partir de la energía del vapor de agua, crea un movimiento mecánico del pistón que, a su vez, hace girar el eje. La potencia de una máquina de vapor se suele medir en vatios.
historia de la invención
La historia de la invención de las máquinas de vapor está relacionada con el conocimiento de la antigua civilización griega. Durante mucho tiempo, nadie usó las obras de esta época. En el siglo XVI se intentó crear una turbina de vapor. El físico e ingeniero turco Takiyuddin ash-Shami trabajó en esto en Egipto.
El interés por este problema reapareció en el siglo XVII. En 1629, Giovanni Branca propuso su propia versión de la turbina de vapor. Sin embargo, los inventos se perdieron un gran número de energía. Otros desarrollos requirieron condiciones económicas apropiadas, que aparecerán más adelante.
La primera persona en inventar la máquina de vapor fue Denis Papin. El invento era un cilindro con un pistón que subía por el vapor y bajaba por su engrosamiento. Los dispositivos de Savery y Newcomen (1705) tenían el mismo principio de funcionamiento. El equipo se utilizó para bombear agua fuera de los trabajos en la extracción de minerales.
Watt logró finalmente mejorar el dispositivo en 1769.
Inventos de Denis Papin
Denis Papin era médico de profesión. Nacido en Francia, se trasladó a Inglaterra en 1675. Es conocido por muchos de sus inventos. Uno de ellos es una olla a presión, que se llamó "caldero de Papenov".
Logró revelar la relación entre dos fenómenos, a saber, el punto de ebullición de un líquido (agua) y la presión que aparece. Gracias a esto, creó una caldera sellada, dentro de la cual se aumentó la presión, por lo que el agua hirvió más tarde de lo habitual y aumentó la temperatura de procesamiento de los productos colocados en ella. Por lo tanto, la velocidad de cocción aumentó.
En 1674, un inventor médico creó un motor de pólvora. Su trabajo consistía en que cuando la pólvora se encendía, un pistón se movía en el cilindro. Se formó un ligero vacío en el cilindro y la presión atmosférica devolvió el pistón a su lugar. Los elementos gaseosos resultantes salían por la válvula y los restantes se enfriaban.
En 1698, Papin logró crear una unidad basada en el mismo principio, trabajando no con pólvora, sino con agua. Así se creó la primera máquina de vapor. A pesar del importante avance que la idea podría suponer, no reportó beneficios significativos a su inventor. Esto se debió al hecho de que anteriormente otro mecánico, Savery, ya había patentado una bomba de vapor, y en ese momento aún no se les había ocurrido otra aplicación para tales unidades.
Denis Papin murió en Londres en 1714. A pesar de que él inventó la primera máquina de vapor, dejó este mundo en la necesidad y la soledad.
inventos de thomas newcomen
Más exitoso en términos de dividendos fue el inglés Newcomen. Cuando Papin creó su máquina, Thomas tenía 35 años. Estudió cuidadosamente el trabajo de Savery y Papin y pudo comprender las deficiencias de ambos diseños. De ellos tomó todas las mejores ideas.
Ya en 1712, en colaboración con el maestro del vidrio y la plomería John Calley, creó su primer modelo. Así continuó la historia de la invención de las máquinas de vapor.
Brevemente, puede explicar el modelo creado de la siguiente manera:
- El diseño combinaba un cilindro vertical y un pistón, como el de Papin.
- La creación de vapor tuvo lugar en una caldera separada, que funcionaba según el principio de la máquina Savery.
- La estanqueidad en el cilindro de vapor se logró gracias a la piel, que estaba cubierta con un pistón.
La unidad de Newcomen extrajo agua de las minas con la ayuda de presión atmosférica. La máquina se distinguía por sus sólidas dimensiones y requería una gran cantidad de carbón para funcionar. A pesar de estas deficiencias, el modelo de Newcomen se utilizó en las minas durante medio siglo. Incluso permitió la reapertura de minas que habían sido abandonadas debido a inundaciones de aguas subterráneas.
En 1722, la creación de Newcomen demostró su eficacia al bombear agua desde un barco en Kronstadt en solo dos semanas. El sistema de molinos de viento podría hacerlo en un año.
Debido a que la máquina estaba basada en versiones anteriores, el mecánico inglés no pudo obtener una patente para ella. Los diseñadores intentaron aplicar la invención al movimiento del vehículo, pero fracasaron. La historia de la invención de las máquinas de vapor no terminó ahí.
el invento de watt
El primero en inventar un equipo de tamaño compacto, pero lo suficientemente potente, James Watt. La máquina de vapor fue la primera de su tipo. Un mecánico de la Universidad de Glasgow en 1763 comenzó a reparar la máquina de vapor de Newcomen. Como resultado de la reparación, entendió cómo reducir el consumo de combustible. Para hacer esto, era necesario mantener el cilindro en un estado constantemente calentado. Sin embargo, la máquina de vapor de Watt no pudo estar lista hasta que se resolvió el problema de la condensación de vapor.
La solución llegó cuando un mecánico pasaba por las lavanderías y notó que salían bocanadas de vapor por debajo de las tapas de las calderas. Se dio cuenta de que el vapor es un gas y necesita viajar en un cilindro de presión reducida.
Al sellar el interior del cilindro de vapor con una cuerda de cáñamo empapada en aceite, Watt pudo evitar la presión atmosférica. Este fue un gran paso adelante.
En 1769, un mecánico recibió una patente que establecía que la temperatura del motor en una máquina de vapor siempre sería igual a la temperatura del vapor. Sin embargo, los asuntos del desventurado inventor no salieron tan bien como se esperaba. Se vio obligado a empeñar la patente de la deuda.
En 1772 conoció a Matthew Bolton, un rico industrial. Compró y devolvió a Watt sus patentes. El inventor volvió al trabajo, apoyado por Bolton. En 1773, se probó la máquina de vapor de Watt y se demostró que consume mucho menos carbón que sus contrapartes. Un año después, comenzó la producción de sus autos en Inglaterra.
En 1781, el inventor logró patentar su próxima creación: una máquina de vapor para impulsar máquinas industriales. Con el tiempo, todas estas tecnologías permitirán mover trenes y barcos de vapor con la ayuda del vapor. Cambiará completamente la vida de una persona.
Una de las personas que cambió la vida de muchos fue James Watt, cuya máquina de vapor aceleró el progreso tecnológico.
el invento de polzunov
El diseño de la primera máquina de vapor, que podía impulsar una variedad de mecanismos de trabajo, se creó en 1763. Fue desarrollado por el mecánico ruso I. Polzunov, que trabajaba en las plantas mineras de Altai.
El jefe de las fábricas conoció el proyecto y recibió el visto bueno para la creación del dispositivo de San Petersburgo. Se reconoció la máquina de vapor Polzunov y el trabajo de su creación se confió al autor del proyecto. Este último quería montar primero un modelo en miniatura para identificar y eliminar posibles defectos que no son visibles en el papel. Sin embargo, se le ordenó que comenzara a construir una máquina grande y poderosa.
A Polzunov se le proporcionaron asistentes, de los cuales dos se inclinaban por la mecánica y se suponía que dos realizarían trabajos auxiliares. Se tardó un año y nueve meses en construir la máquina de vapor. Cuando la máquina de vapor de Polzunov estaba casi lista, cayó enfermo de tisis. El creador murió unos días antes de las primeras pruebas.
Todas las acciones en la máquina se llevaron a cabo automáticamente, podría funcionar continuamente. Esto se demostró en 1766, cuando los estudiantes de Polzunov realizaron las últimas pruebas. Un mes después, el equipo se puso en funcionamiento.
El automóvil no solo devolvió el dinero gastado, sino que también generó ganancias para sus propietarios. Para el otoño, la caldera comenzó a tener fugas y el trabajo se detuvo. La unidad pudo ser reparada, pero esto no interesó a las autoridades de la fábrica. El automóvil fue abandonado y una década después fue desmantelado por innecesario.
Principio de operación
Se requiere una caldera de vapor para el funcionamiento de todo el sistema. El vapor resultante se expande y presiona el pistón, lo que provoca el movimiento de las piezas mecánicas.
El principio de funcionamiento se estudia mejor con la siguiente ilustración.
Si no pinta los detalles, entonces el trabajo de la máquina de vapor es convertir la energía del vapor en movimiento mecánico del pistón.
Eficiencia
La eficiencia de una máquina de vapor está determinada por la relación entre el trabajo mecánico útil y la cantidad de calor gastado que está contenido en el combustible. No tiene en cuenta la energía que se libera en ambiente como calor
La eficiencia de una máquina de vapor se mide como un porcentaje. La eficiencia práctica será de 1-8%. En presencia de un condensador y expansión de la ruta de flujo, el indicador puede aumentar hasta un 25%.
Ventajas
Ventaja principal equipo de vapor es que la caldera puede utilizar cualquier fuente de calor, tanto carbón como uranio, como combustible. Esto lo distingue significativamente del motor de combustión interna. Dependiendo del tipo de este último, se requiere un determinado tipo de combustible.
La historia de la invención de las máquinas de vapor mostró ventajas que todavía se notan hoy en día, ya que la energía nuclear se puede utilizar para la contraparte del vapor. Por sí mismo, un reactor nuclear no puede convertir su energía en trabajo mecánico, pero es capaz de generar una gran cantidad de calor. A continuación, se utiliza para generar vapor, que pondrá en marcha el coche. De la misma manera se puede aplicar energía solar.
Las locomotoras a vapor funcionan bien a gran altura. La eficiencia de su trabajo no se ve afectada por la baja presión atmosférica en las montañas. Las locomotoras de vapor todavía se usan en las montañas de América Latina.
En Austria y Suiza se utilizan nuevas versiones de locomotoras de vapor que funcionan con vapor seco. Muestran una alta eficiencia gracias a muchas mejoras. No son exigentes en mantenimiento y consumen fracciones ligeras de aceite como combustible. En términos de indicadores económicos, son comparables a las locomotoras eléctricas modernas. Al mismo tiempo, las locomotoras de vapor son mucho más ligeras que sus equivalentes diésel y eléctricas. Esta es una gran ventaja en terreno montañoso.
Defectos
Las desventajas incluyen, en primer lugar, baja eficiencia. A esto hay que añadirle el voluminoso diseño y la baja velocidad. Esto se hizo especialmente notable después de la llegada del motor de combustión interna.
Solicitud
Ya se sabe quién inventó la máquina de vapor. Queda por ver dónde se usaron. Hasta mediados del siglo XX, las máquinas de vapor se utilizaban en la industria. También se utilizaron para el transporte ferroviario y de vapor.
Fábricas que operaban máquinas de vapor:
- azúcar;
- juego;
- fábricas de papel;
- textil;
- empresas alimentarias (en algunos casos).
Las turbinas de vapor también se incluyen en este equipo. Los generadores de electricidad todavía funcionan con su ayuda. Alrededor del 80% de la electricidad mundial se genera mediante turbinas de vapor.
En el momento en que fueron creados diferentes tipos vehículos a vapor. Algunos no echaron raíces por problemas no resueltos, mientras que otros siguen funcionando hoy.
Transporte a vapor:
- automóvil;
- tractor;
- excavador;
- avión;
- locomotora;
- buque;
- tractor.
Tal es la historia de la invención de las máquinas de vapor. Considere brevemente buen ejemplo sobre el coche de carreras Serpolle, creado en 1902. Estableció un récord mundial de velocidad, que ascendió a 120 km por hora en tierra. Por eso los coches de vapor eran competitivos en relación con sus homólogos eléctricos y de gasolina.
Entonces, en los EE. UU. En 1900, se produjeron la mayoría de las máquinas de vapor. Se conocieron en los caminos hasta los años treinta del siglo XX.
La mayoría de estos vehículos se volvieron impopulares tras la llegada del motor de combustión interna, cuya eficiencia es mucho mayor. Tales máquinas eran más económicas, ligeras y rápidas.
Steampunk como tendencia de la era de las máquinas de vapor
Hablando de máquinas de vapor, me gustaría mencionar la dirección popular: steampunk. El término se compone de dos palabras inglesas- "vapor" y "protesta". Steampunk es un tipo de ciencia ficción que se desarrolla en la segunda mitad del siglo XIX en la Inglaterra victoriana. Este período de la historia a menudo se conoce como la Era del Vapor.
Todas las obras tienen uno característica distintiva- cuentan sobre la vida de la segunda mitad del siglo XIX, el estilo de narración al mismo tiempo se asemeja a la novela de H. G. Wells "La máquina del tiempo". Las tramas describen paisajes urbanos, edificios públicos, tecnología. Se le da un lugar especial a los dirigibles, autos antiguos, inventos extraños. Todas las partes metálicas se sujetaron con remaches, ya que aún no se había utilizado soldadura.
El término "steampunk" se originó en 1987. Su popularidad está asociada con la aparición de la novela "La máquina diferencial". Fue escrito en 1990 por William Gibson y Bruce Sterling.
A principios del siglo XXI, se estrenaron varias películas famosas en esta dirección:
- "Máquina del tiempo";
- "La liga de caballeros extraordinarios";
- "Van Helsing".
Los precursores del steampunk incluyen las obras de Jules Verne y Grigory Adamov. El interés en esta dirección se manifiesta de vez en cuando en todas las esferas de la vida, desde el cine hasta la ropa de todos los días.
En la mente de la mayoría de las personas en la era de los teléfonos inteligentes, los automóviles a vapor son algo arcaico que provoca una sonrisa. Las páginas de vapor de la historia de la industria automotriz fueron muy brillantes y sin ellas es difícil imaginar el transporte moderno en general. No importa cuán duros sean los escépticos de la legislación, así como los cabilderos petroleros, diferentes paises limitar el desarrollo del automóvil para una pareja, lo lograron solo por un tiempo. Después de todo, el vagón de vapor es como la Esfinge. La idea de un automóvil para una pareja (es decir, sobre un motor de combustión externa) es relevante hasta el día de hoy.
En la mente de la mayoría de las personas en la era de los teléfonos inteligentes, los automóviles a vapor son algo arcaico que provoca una sonrisa.
Entonces, en 1865, en Inglaterra, introdujeron la prohibición del movimiento de vagones autopropulsados de alta velocidad a vapor. Tenían prohibido moverse a más de 3 km/h por la ciudad y no soltar bocanadas de vapor, para no asustar a los caballos enganchados a los carruajes ordinarios. El golpe más grave y tangible a los camiones de vapor ya en 1933 fue la ley sobre el impuesto a los vehículos pesados. Fue solo en 1934, cuando se redujeron los aranceles sobre las importaciones de productos derivados del petróleo, que la victoria de los motores de gasolina y diesel sobre los motores de vapor se asomó en el horizonte.
Sólo en Inglaterra podían permitirse el lujo de burlarse del progreso de una forma tan elegante y tan fría. En los EE. UU., Francia, Italia, el entorno de los inventores entusiastas literalmente hervía de ideas, y el automóvil de vapor adquirió nuevas formas y características. Aunque los inventores británicos hicieron una contribución significativa al desarrollo de los vehículos de vapor, las leyes y los prejuicios de las autoridades no les permitieron participar plenamente en la batalla con el motor de combustión interna. Pero hablemos de todo en orden.
Referencia prehistórica
La historia del desarrollo del automóvil a vapor está indisolublemente unida a la historia del surgimiento y mejora de la máquina de vapor. Cuando en el siglo I d.C. mi. Heron of Alexandria propuso su idea de hacer girar una bola de metal con vapor, su idea fue tratada como nada más que divertida. Si otras ideas fueron más emocionantes para los inventores, pero el primero en poner la caldera de vapor sobre ruedas fue el monje Ferdinand Verbst. en 1672. Su "juguete" también fue tratado como divertido. Pero los siguientes cuarenta años no fueron en vano para la historia de la máquina de vapor.
El proyecto de un carro autopropulsado de Isaac Newton (1680), el aparato de fuego del mecánico Thomas Savery (1698) y el aparato atmosférico de Thomas Newcomen (1712) demostraron el gran potencial del uso del vapor para hacer Trabajo mecánico. Al principio, las máquinas de vapor extraían agua de las minas y levantaban cargas, pero a mediados del siglo XVIII, tales empresas en Inglaterra plantas de vapor ya había varios cientos.
¿Qué es una máquina de vapor? ¿Cómo puede el vapor mover ruedas? El principio de la máquina de vapor es simple. El agua se calienta en un tanque cerrado a un estado de vapor. El vapor se descarga a través de tubos en un cilindro cerrado y exprime el pistón. A través de la biela intermedia, este movimiento de traslación se transmite al eje del volante.
Este diagrama esquemático del funcionamiento de una caldera de vapor en la práctica tenía importantes inconvenientes.
La primera porción de vapor estalló en tréboles y el pistón enfriado, bajo su propio peso, descendió para el siguiente ciclo. Este diagrama esquemático del funcionamiento de una caldera de vapor en la práctica tenía importantes inconvenientes. La ausencia de un sistema de control de la presión del vapor a menudo provocaba la explosión de una caldera. Llevó mucho tiempo y combustible poner la caldera en condiciones de trabajo. El reabastecimiento constante de combustible y el tamaño gigantesco de la planta de vapor solo aumentaron la lista de sus deficiencias.
La nueva máquina fue propuesta por James Watt en 1765. Dirigió el vapor exprimido por el pistón a una cámara de condensación adicional y eliminó la necesidad de agregar agua constantemente a la caldera. Finalmente, en 1784, resolvió el problema de cómo redistribuir el movimiento del vapor para que empujara el pistón en ambas direcciones. Gracias al carrete que creó, la máquina de vapor podía funcionar sin interrupción entre ciclos. Este principio de una máquina térmica de doble efecto formó la base de la mayor parte de la tecnología de vapor.
Se trabajó mucho en la creación de máquinas de vapor. gente inteligente. Después de todo, esta es una forma simple y económica de obtener energía de casi nada.
Una pequeña digresión en la historia de los automóviles a vapor.
Sin embargo, por grandiosos que fueran los éxitos de los británicos en la región, el primero en poner la máquina de vapor sobre ruedas fue el francés Nicolas Joseph Cugno.
El primer coche de vapor de Cugno
Su coche apareció en las carreteras en 1765. La velocidad del cochecito fue un récord: 9,5 km / h. En él, el inventor preveía cuatro asientos para pasajeros que podían hacerse rodar con la brisa a una velocidad media de 3,5 km/h. Este éxito le pareció insuficiente al inventor.
La necesidad de detenerse para repostar agua y encender un nuevo fuego cada kilómetro del camino no era una desventaja significativa, sino solo el nivel de tecnología de la época.
Decidió inventar un tractor para armas. Así nació un carro de tres ruedas con un gran caldero en el frente. La necesidad de detenerse para repostar agua y encender un nuevo fuego cada kilómetro del camino no era una desventaja significativa, sino solo el nivel de tecnología de la época.
El siguiente modelo Cugno del modelo 1770 pesaba alrededor de una tonelada y media. El nuevo carro podría transportar unas dos toneladas de carga a una velocidad de 7 km/h.
El maestro Cugno estaba más interesado en la idea de crear una máquina de vapor. alta presión. Ni siquiera estaba avergonzado por el hecho de que la caldera pudiera explotar. Fue a Cugno a quien se le ocurrió la idea de colocar la cámara de combustión debajo de la caldera y llevar consigo la "hoguera". Además, su "carro" puede llamarse con razón el primer camión. La renuncia del patrón y una serie de revoluciones no permitieron que el maestro desarrollara el modelo en un camión de pleno derecho.
El autodidacta Oliver Evans y su anfibio
La idea de crear máquinas de vapor era de proporciones universales. En los estados norteamericanos, el inventor Oliver Evans creó unas cincuenta plantas de vapor basadas en la máquina de Watt. Intentando reducir las dimensiones de la instalación de James Watt, diseñó máquinas de vapor para molinos harineros. Sin embargo, Oliver Evans ganó fama mundial por su coche de vapor anfibio. En 1789, su primer automóvil en los Estados Unidos pasó con éxito las pruebas en tierra y agua.
En su anfibio, que puede llamarse el prototipo de vehículos todo terreno, ¡Evans instaló una máquina con una presión de vapor de diez atmósferas!
El coche-barco de nueve metros tenía un peso de unas 15 toneladas. La máquina de vapor impulsaba las ruedas traseras y tornillo de hélice. Por cierto, Oliver Evans también fue partidario de la creación de una máquina de vapor de alta presión. En su anfibio, que puede llamarse el prototipo de vehículos todo terreno, ¡Evans instaló una máquina con una presión de vapor de diez atmósferas!
Si los inventores de los siglos XVIII y XIX tuvieran la tecnología del siglo XXI al alcance de la mano, ¿te imaginas cuánta tecnología se les ocurriría? ¡Y qué tecnología!
Siglo XX y 204 km/h en el coche de vapor Stanley
¡Sí! El siglo XVIII dio un poderoso impulso al desarrollo del transporte a vapor. Numerosos y variados diseños de carros de vapor autopropulsados comenzaron a diluir cada vez más los vehículos tirados por caballos en las carreteras de Europa y América. A principios del siglo XX, los automóviles a vapor se habían extendido significativamente y se convirtieron en un símbolo familiar de su época. Tal como está la fotografía.
El siglo XVIII dio un poderoso impulso al desarrollo del transporte a vapor.
Fue su empresa fotográfica la que vendieron los hermanos Stanley cuando, en 1897, decidieron dedicarse seriamente a la producción de coches de vapor en los Estados Unidos. Crearon coches de vapor muy vendidos. Pero esto no les bastó para satisfacer sus ambiciosos planes. Después de todo, eran solo uno de los muchos fabricantes de automóviles. Así fue hasta que diseñaron su "cohete".
Fue su empresa fotográfica la que vendieron los hermanos Stanley cuando, en 1897, decidieron dedicarse seriamente a la producción de coches de vapor en los Estados Unidos.
Por supuesto, los autos Stanley tenían la reputación de ser un auto confiable. La unidad de vapor estaba ubicada en la parte trasera y la caldera se calentaba con sopletes de gasolina o queroseno. El volante de inercia de un motor de dos cilindros a vapor de doble efecto gira hacia el eje trasero por medio de una transmisión por cadena. No hubo casos de explosiones de calderas en Stanley Steamer. Pero necesitaban un chapuzón.
Por supuesto, los autos Stanley tenían la reputación de ser un auto confiable.
Con su "cohete" causaron sensación en todo el mundo. ¡205,4 km/h en 1906! ¡Nadie ha ido tan rápido! Un automóvil con motor de combustión interna rompió este récord solo 5 años después. El "Cohete" de vapor de madera contrachapada de Stanley definió la forma de los autos de carreras durante muchos años. Pero después de 1917, Stanley Steamer experimentó cada vez más la competencia del Ford T barato y se retiró.
Coches de vapor únicos de los hermanos Doble
Esta célebre familia logró brindar una decente resistencia a los motores de gasolina hasta principios de los años 30 del siglo XX. No construyeron autos para récords. A los hermanos les encantaban los coches de vapor. De lo contrario, ¿de qué otra manera explicar el radiador de panal inventado por ellos y el botón de encendido? Sus modelos no eran como pequeñas locomotoras.
Los hermanos Abner y John revolucionaron el transporte a vapor.
Los hermanos Abner y John revolucionaron el transporte a vapor. Para ponerse en movimiento, su automóvil no necesitaba calentarse durante 10 a 20 minutos. El botón de encendido bombeaba queroseno desde el carburador a la cámara de combustión. Llegó allí después de encender con una bujía incandescente. El agua se calentó en cuestión de segundos, y después de un minuto y medio, el vapor creó la presión necesaria y se pudo ir.
El vapor de escape se enviaba al radiador para su condensación y preparación para ciclos posteriores. Por lo tanto, para un recorrido suave de 2000 km, los automóviles Doble necesitaban solo noventa litros de agua en el sistema y varios litros de queroseno. ¡Nadie podría ofrecer tal rentabilidad! Tal vez fue en el Auto Show de Detroit en 1917 cuando Stanley conoció el modelo de los hermanos Doble y comenzó a reducir su producción.
El Model E se convirtió en el coche más lujoso de la segunda mitad de los años 20 y la última versión del coche de vapor Doble. Interior de cuero, elementos pulidos de madera y hueso de elefante encantaron a los propietarios adinerados dentro del automóvil. En una cabina de este tipo, uno podría disfrutar del kilometraje a velocidades de hasta 160 km / h. Solo 25 segundos separaban el momento del encendido del momento del lanzamiento. ¡Le tomó otros 10 segundos a un automóvil que pesaba 1,2 toneladas acelerar a 120 km / h!
Todas estas cualidades de alta velocidad se incorporaron en un motor de cuatro cilindros. Dos pistones fueron empujados por vapor a alta presión de 140 atmósferas, mientras que los otros dos enviaron el vapor enfriado baja presión en un condensador-radiador de panal. Pero en la primera mitad de los años 30, estas bellezas de los hermanos Doble dejaron de producirse.
camiones de vapor
Sin embargo, no hay que olvidar que la tracción a vapor se desarrolló rápidamente en el transporte de mercancías. Fue en las ciudades donde los coches de vapor hicieron que los snobs se volvieran alérgicos. Pero los bienes deben entregarse en cualquier clima y no solo en la ciudad. ¿Qué pasa con los autobuses interurbanos y el equipo militar? No puedes bajarte con autos pequeños allí.
El transporte de carga tiene una ventaja significativa sobre los automóviles de pasajeros: estas son sus dimensiones.
El transporte de carga tiene una ventaja significativa sobre los automóviles de pasajeros: estas son sus dimensiones. Le permiten colocar potentes centrales eléctricas en cualquier parte del automóvil. Además, solo aumentará la capacidad de carga y el rendimiento. Y no siempre se presta atención al aspecto que tendrá el camión.
Entre los camiones de vapor me gustaría destacar el Sentinel inglés y el NAMI soviético. Por supuesto, hubo muchos otros, como Foden, Fowler, Yorkshire. Pero fueron Sentinel y NAMI los que resultaron ser los más tenaces y se produjeron hasta finales de los años 50 del siglo pasado. Podrían trabajar en cualquier combustible sólido- carbón, madera, turba. La naturaleza omnívora de estos camiones de vapor los puso fuera de la influencia de los precios del petróleo y también les permitió ser utilizados en lugares de difícil acceso.
Santinel adicto al trabajo con acento inglés
Estos dos camiones difieren no solo en el país de fabricación. Los principios de ubicación de los generadores de vapor también eran diferentes. Los centinelas se caracterizan por la disposición superior e inferior de las máquinas de vapor en relación con la caldera. En la ubicación superior, el generador de vapor suministraba vapor caliente directamente a la cámara del motor, que estaba conectada a los puentes mediante un sistema de ejes cardánicos. Con la ubicación más baja de la máquina de vapor, es decir, sobre el chasis, la caldera calentaba el agua y suministraba vapor a la máquina a través de las tuberías, lo que garantizaba pérdidas de temperatura.
Los centinelas se caracterizan por la disposición superior e inferior de las máquinas de vapor en relación con la caldera.
La presencia de una transmisión de cadena desde el volante de una máquina de vapor hasta cardanes era típica de ambos tipos. Esto permitió a los diseñadores unificar la producción de Sentinels en función del cliente. Para países cálidos como India, los camiones de vapor se produjeron con una disposición más baja y separada de la caldera y el motor. Para países con inviernos fríos, con el tipo combinado superior.
Para países cálidos como India, los camiones de vapor se produjeron con una disposición más baja y separada de la caldera y el motor.
En estos camiones se utilizaron muchas tecnologías comprobadas. Correderas y válvulas de distribución de vapor, motores de simple y doble efecto, alta o baja presión, con o sin reductor. Sin embargo, esto no prolongó la vida útil de los camiones de vapor ingleses. Aunque se produjeron hasta finales de los años 50 del siglo XX e incluso sirvieron en el ejército antes y durante la Segunda Guerra Mundial, todavía eran voluminosas y se parecían un poco a las locomotoras de vapor. Y como no había personas interesadas en su cardinal modernización, su destino estaba sellado.
Aunque se produjeron hasta finales de los años 50 del siglo XX e incluso sirvieron en el ejército antes y durante la Segunda Guerra Mundial, todavía eran voluminosas y se parecían un poco a las locomotoras de vapor.
A quién qué, y a nosotros - US
Para levantar la economía devastada por la guerra Unión Soviética, era necesario encontrar una manera de no desperdiciar los recursos petroleros, al menos en lugares de difícil acceso, en el norte del país y en Siberia. Los ingenieros soviéticos tuvieron la oportunidad de estudiar el diseño del Sentinel con una máquina de vapor de acción directa de cuatro cilindros en la parte superior y desarrollar su propia "respuesta a Chamberlain".
En los años 30, institutos y oficinas de diseño rusos intentaron repetidamente crear un camión alternativo para la industria maderera.
En los años 30, institutos y oficinas de diseño rusos intentaron repetidamente crear un camión alternativo para la industria maderera. Pero cada vez que el caso se detuvo en la etapa de prueba. Usando su propia experiencia y la oportunidad de estudiar los vehículos de vapor capturados, los ingenieros lograron convencer a los líderes del país de la necesidad de un camión de vapor de este tipo. Además, la gasolina cuesta 24 veces más que el carbón. Y con el costo de la leña en la taiga, generalmente no se puede mencionar.
Un grupo de diseñadores dirigido por Yu. Shebalin simplificó la unidad de vapor en su conjunto tanto como fue posible. Combinaron un motor de cuatro cilindros y una caldera en una sola unidad y la colocaron entre la carrocería y la cabina. Ponemos esta instalación en el chasis del serial YaAZ (MAZ) -200. El trabajo del vapor y su condensación se combinaban en un ciclo cerrado. El suministro de lingotes de madera desde el búnker se realizó de forma automática.
Así nació NAMI-012, o más bien en el bosque todoterreno. Obviamente, el principio de la alimentación del bunker combustible sólido y la ubicación de la máquina de vapor en un camión se tomó prestada de la práctica de las instalaciones generadoras de gas.
El destino del dueño de los bosques - NAMI-012
Las características del camión de plataforma plana y transportador de madera a vapor NAMI-012 fueron las siguientes
- Capacidad de carga - 6 toneladas
- Velocidad - 45 km / h
- Alcance sin repostar: 80 km, si fuera posible renovar el suministro de agua, luego 150 km
- Par a bajas velocidades: 240 kgm, que era casi 5 veces más alto que el YaAZ-200 base
- Una caldera de circulación natural creaba una presión de 25 atmósferas y llevaba el vapor a una temperatura de 420 °C
- Fue posible reponer los suministros de agua directamente desde el depósito a través de eyectores
- La cabina totalmente metálica no tenía capota y fue empujada hacia adelante
- La velocidad fue controlada por la cantidad de vapor en el motor usando una palanca de alimentación/corte. Con su ayuda, los cilindros se llenaron en un 25/40/75%.
- Una marcha atrás y tres pedales de control.
Las graves deficiencias del camión de vapor fueron el consumo de 400 kg de leña por cada 100 km de vía y la necesidad de eliminar el agua de la caldera en climas fríos.
Las deficiencias graves del camión de vapor fueron el consumo de 400 kg de leña por cada 100 km de vía y la necesidad de eliminar el agua de la caldera en climas fríos. Pero la principal desventaja que estaba presente en la primera muestra era la pobre permeabilidad en un estado descargado. Luego resultó que el eje delantero estaba sobrecargado con la cabina y la unidad de vapor, en comparación con la parte trasera. Hicimos frente a esta tarea instalando una planta de energía de vapor modernizada en el YaAZ-214 con tracción total. Ahora, la potencia del transportador de madera NAMI-018 se ha aumentado a 125 caballos de fuerza.
Pero, al no tener tiempo de extenderse por todo el país, los camiones generadores de vapor se desecharon en la segunda mitad de los años 50 del siglo pasado.
Pero, al no tener tiempo de extenderse por todo el país, los camiones generadores de vapor se desecharon en la segunda mitad de los años 50 del siglo pasado. Sin embargo, junto con los generadores de gas. Debido a que el costo de convertir los automóviles, el impacto económico y la facilidad de operación requerían mucha mano de obra y eran cuestionables, en comparación con los camiones de gasolina y diésel. Además, en ese momento la producción de petróleo ya se estaba estableciendo en la Unión Soviética.
Coche de vapor moderno rápido y asequible
No creas que la idea de un coche a vapor se olvida para siempre. Ahora hay un aumento significativo en el interés por los motores alternativos a los motores de combustión interna de gasolina y diésel. Las reservas mundiales de petróleo no son ilimitadas. Sí, y el costo de los productos derivados del petróleo aumenta constantemente. Los diseñadores se esforzaron tanto por mejorar el motor de combustión interna que sus ideas casi llegaron al límite.
Los coches eléctricos, los coches de hidrógeno, los generadores de gas y los coches de vapor han vuelto a ser temas candentes. ¡Hola, siglo XIX olvidado!
Ahora hay un aumento significativo en el interés por los motores alternativos a los motores de combustión interna de gasolina y diésel.
Un ingeniero británico (¡Inglaterra otra vez!) demostró las nuevas posibilidades de una máquina de vapor. Creó su Inspuration no solo para demostrar la relevancia de los automóviles a vapor. Su creación está hecha para los registros. 274 km / h: esta es la velocidad acelerada por doce calderas instaladas en un automóvil de 7,6 metros. Sólo 40 litros de agua son suficientes para gas licuado literalmente en un instante llevó la temperatura del vapor a 400 °C. ¡Solo piense, le tomó 103 años a la historia romper el récord de velocidad para un automóvil a vapor establecido por el Rocket!
En un generador de vapor moderno, puede usar carbón en polvo u otros combustibles baratos, como fuel oil, gas licuado. Es por eso que los coches de vapor siempre han sido y serán populares.
Pero para que llegue un futuro amigable con el medio ambiente, nuevamente es necesario vencer la resistencia de los cabilderos petroleros.
Las máquinas de vapor se utilizaron como motor de accionamiento en estaciones de bombeo, locomotoras, barcos de vapor, tractores, vagones de vapor y otros. Vehículo Vaya. Las máquinas de vapor contribuyeron al uso comercial generalizado de máquinas en las empresas y fueron la base energética de la revolución industrial del siglo XVIII. Más tarde, las máquinas de vapor fueron reemplazadas por motores de combustión interna, turbinas de vapor, motores eléctricos y reactores nucleares, que son más eficientes.
Máquina de vapor en acción
invención y desarrollo
El primer dispositivo a vapor conocido fue descrito por Garza de Alejandría en el siglo I, el llamado "baño de Garza" o "aeolipil". El vapor que salía tangencialmente de las boquillas fijadas en la bola hacía girar a esta última. Se supone que la transformación del vapor en movimiento mecánico se conocía en Egipto durante el período del dominio romano y se usaba en dispositivos simples.
Primeros motores industriales
Ninguno de los dispositivos descritos se ha utilizado realmente como medio para resolver problemas útiles. La primera máquina de vapor utilizada en la producción fue la "máquina de fuego", diseñada por el ingeniero militar inglés Thomas Savery en 1698. Savery recibió una patente para su dispositivo en 1698. Era una bomba de vapor recíproca, y obviamente no muy eficiente, ya que el calor del vapor se perdía cada vez que se enfriaba el recipiente, y bastante peligrosa en su funcionamiento, porque debido a la alta presión del vapor, los tanques y las tuberías del motor a veces explotó Dado que este dispositivo podría usarse tanto para hacer girar las ruedas de un molino de agua como para sacar agua de las minas, el inventor lo llamó "amigo de los mineros".
Después herrero ingles Thomas Newcomen en 1712 demostró su "máquina atmosférica", que fue la primera máquina de vapor para la que podría haber demanda comercial. Esta fue una mejora en la máquina de vapor de Savery, en la que Newcomen redujo sustancialmente la presión operativa del vapor. Newcomen puede haberse basado en una descripción de los experimentos de Papin en poder de la Royal Society de Londres, a la que pudo haber tenido acceso a través de un miembro de la sociedad, Robert Hooke, que trabajó con Papin.
Diagrama de la máquina de vapor de Newcomen.
– El vapor se muestra en violeta, el agua en azul.
– Válvulas abiertas mostrado en verde, cerrado - rojo
La primera aplicación del motor Newcomen fue bombear agua desde una mina profunda. En la bomba de la mina, el balancín estaba conectado a una varilla que descendía dentro de la mina hasta la cámara de la bomba. Los movimientos alternativos del empuje se transmitían al pistón de la bomba, que suministraba agua a la parte superior. Las válvulas de los primeros motores Newcomen se abrían y cerraban a mano. La primera mejora fue la automatización de las válvulas, que eran accionadas por la propia máquina. Cuenta la leyenda que esta mejora la hizo en 1713 el niño Humphrey Potter, quien debía abrir y cerrar las válvulas; cuando se cansó, ató las manijas de las válvulas con cuerdas y se fue a jugar con los niños. Para 1715, ya se creó un sistema de control de palanca, impulsado por el mecanismo del propio motor.
La primera máquina de vapor de vacío de dos cilindros en Rusia fue diseñada por el mecánico II Polzunov en 1763 y construida en 1764 para impulsar el fuelle del soplador en las fábricas de Barnaul Kolyvano-Voskresensky.
Humphrey Gainsborough construyó un modelo de máquina de vapor de condensador en la década de 1760. En 1769, el mecánico escocés James Watt (quizás usando las ideas de Gainsborough) patentó las primeras mejoras significativas al motor de vacío Newcomen, lo que lo hizo mucho más eficiente en el consumo de combustible. La contribución de Watt fue separar la fase de condensación del motor de vacío en una cámara separada mientras el pistón y el cilindro estaban a la temperatura del vapor. Watt agregó algunos detalles más importantes al motor de Newcomen: colocó un pistón dentro del cilindro para expulsar el vapor y convirtió el movimiento alternativo del pistón en el movimiento de rotación de la rueda motriz.
Basado en estas patentes, Watt construyó una máquina de vapor en Birmingham. En 1782, la máquina de vapor de Watt era tres veces más eficiente que la de Newcomen. La mejora en la eficiencia del motor de Watt condujo al uso de la energía de vapor en la industria. Además, a diferencia del motor de Newcomen, el motor de Watt permitía transmitir el movimiento de rotación, mientras que en los primeros modelos de motores de vapor el pistón estaba conectado al balancín y no directamente a la biela. Este motor ya tenía las características principales de los motores de vapor modernos.
Otro aumento en la eficiencia fue el uso de vapor a alta presión (el estadounidense Oliver Evans y el inglés Richard Trevithick). R. Trevithick construyó con éxito motores industriales de un solo tiempo de alta presión, conocidos como "motores de Cornualles". Operaban a 50 psi o 345 kPa (3,405 atmósferas). Sin embargo, con el aumento de la presión, también hubo un mayor peligro de explosiones en máquinas y calderas, lo que inicialmente provocó numerosos accidentes. Desde este punto de vista, el elemento más importante de la máquina de alta presión era la válvula de seguridad, que liberaba el exceso de presión. Confiable y operación segura comenzó solo con la acumulación de experiencia y la estandarización de procedimientos para la construcción, operación y mantenimiento de equipos.
El inventor francés Nicolas-Joseph Cugnot demostró el primer vehículo de vapor autopropulsado en funcionamiento en 1769: el "fardier à vapeur" (carro de vapor). Quizás su invento pueda considerarse el primer automóvil. El tractor a vapor autopropulsado resultó muy útil como fuente móvil de energía mecánica que ponía en marcha otras máquinas agrícolas: trilladoras, prensas, etc. En 1788, un barco a vapor construido por John Fitch ya operaba un servicio regular a lo largo de la Río Delaware entre Filadelfia (Pensilvania) y Burlington (estado de Nueva York). Levantó a 30 pasajeros a bordo y fue a una velocidad de 7 a 8 millas por hora. El barco de vapor de J. Fitch no tuvo éxito comercial, ya que una buena carretera terrestre compitió con su ruta. En 1802, el ingeniero escocés William Symington construyó un barco de vapor competitivo, y en 1807, el ingeniero estadounidense Robert Fulton usó una máquina de vapor Watt para impulsar el primer barco de vapor comercialmente exitoso. El 21 de febrero de 1804, la primera locomotora de vapor de ferrocarril autopropulsada, construida por Richard Trevithick, se exhibió en la fundición de Penydarren en Merthyr Tydfil, Gales del Sur.
Motores de vapor alternativos
Los motores alternativos usan energía de vapor para mover un pistón en una cámara o cilindro sellado. La acción recíproca de un pistón se puede convertir mecánicamente en movimiento lineal para bombas de pistón, o en movimiento giratorio para impulsar piezas giratorias de máquinas herramienta o ruedas de vehículos.
máquinas de vacío
Las primeras máquinas de vapor se llamaron al principio "máquinas de fuego", y también máquinas de Watt "atmosféricas" o "de condensación". Funcionaron según el principio del vacío y, por lo tanto, también se conocen como "motores de vacío". Tales máquinas funcionaban para accionar bombas de pistón, en todo caso, no hay constancia de que fueran utilizadas para otros fines. Durante el funcionamiento de una máquina de vapor de tipo vacío, al comienzo del ciclo, se admite vapor a baja presión en la cámara o cilindro de trabajo. Luego, la válvula de entrada se cierra y el vapor se enfría y se condensa. En un motor Newcomen, el agua de refrigeración se rocía directamente en el cilindro y el condensado escapa a un colector de condensado. Esto crea un vacío en el cilindro. La presión atmosférica en la parte superior del cilindro presiona el pistón y hace que se mueva hacia abajo, es decir, la carrera de potencia.
El enfriamiento y recalentamiento constante del cilindro de trabajo de la máquina era muy derrochador e ineficiente, sin embargo, estas máquinas de vapor permitían bombear agua desde una profundidad mayor de lo que era posible antes de su aparición. En el año apareció una versión de la máquina de vapor, creada por Watt en colaboración con Matthew Boulton, cuya principal innovación fue la eliminación del proceso de condensación en una cámara separada especial (condensador). Esta cámara se colocó en un baño con agua fría, y estaba conectado al cilindro por un tubo superpuesto por una válvula. Una pequeña bomba de vacío especial (un prototipo de una bomba de condensado) se adjuntó a la cámara de condensación, impulsada por un balancín y se usó para eliminar el condensado del condensador. El agua caliente resultante fue suministrada por una bomba especial (un prototipo de la bomba de alimentación) de vuelta a la caldera. Otra innovación radical fue el cierre del extremo superior del cilindro de trabajo, en la parte superior del cual ahora había vapor a baja presión. El mismo vapor estaba presente en la doble camisa del cilindro, manteniendo su temperatura constante. Durante el movimiento ascendente del pistón, este vapor era transferido a través de tubos especiales a la parte inferior del cilindro para ser condensado durante la siguiente carrera. La máquina, de hecho, dejó de ser "atmosférica", y su potencia pasó a depender de la diferencia de presión entre el vapor a baja presión y el vacío que pudiera obtenerse. En la máquina de vapor de Newcomen, el pistón estaba lubricado una pequeña cantidad se vertió agua encima, esto se hizo imposible en el auto de Watt, ya que ahora había vapor en la parte superior del cilindro, fue necesario cambiar a lubricación con una mezcla de grasa y aceite. La misma grasa se usó en el prensaestopas del vástago del cilindro.
Las máquinas de vapor de vacío, a pesar de las limitaciones obvias de su eficiencia, eran relativamente seguras y usaban vapor a baja presión, lo cual era bastante consistente con el bajo nivel general de la tecnología de calderas del siglo XVIII. La potencia de la máquina estaba limitada por la baja presión de vapor, el tamaño del cilindro, la velocidad de combustión del combustible y la evaporación del agua en la caldera y el tamaño del condensador. La eficiencia teórica máxima estaba limitada por la diferencia de temperatura relativamente pequeña a ambos lados del pistón; fabricó máquinas de vacío diseñadas para uso industrial demasiado grande y caro.
Compresión
El puerto de salida del cilindro de una máquina de vapor se cierra un poco antes de que el pistón alcance su posición final, dejando algo de vapor de escape en el cilindro. Esto significa que existe una fase de compresión en el ciclo de funcionamiento, que forma el llamado “cojín de vapor”, que ralentiza el movimiento del pistón en sus posiciones extremas. También elimina la repentina caída de presión al comienzo de la fase de admisión cuando ingresa vapor fresco al cilindro.
Ventaja
El efecto descrito del "cojín de vapor" también se ve reforzado por el hecho de que la entrada de vapor fresco en el cilindro comienza un poco antes de que el pistón alcance la posición extrema, es decir, hay un cierto avance de la entrada. Este avance es necesario para que antes de que el pistón inicie su carrera de trabajo bajo la acción del vapor fresco, el vapor tenga tiempo de llenar el espacio muerto surgido como consecuencia de la fase anterior, es decir, los canales de admisión-escape y el volumen del cilindro no utilizado para el movimiento del pistón.
extensión sencilla
Una expansión simple supone que el vapor solo funciona cuando se expande en el cilindro, y el vapor de escape se libera directamente a la atmósfera o ingresa a un condensador especial. El calor residual del vapor se puede aprovechar, por ejemplo, para calentar una habitación o un vehículo, así como para precalentar el agua que entra en la caldera.
Compuesto
Durante el proceso de expansión en el cilindro de una máquina de alta presión, la temperatura del vapor desciende en proporción a su expansión. Como no hay intercambio de calor (proceso adiabático), resulta que el vapor entra al cilindro a una temperatura más alta que la que sale. Tales fluctuaciones de temperatura en el cilindro conducen a una disminución en la eficiencia del proceso.
Uno de los métodos para hacer frente a esta diferencia de temperatura fue propuesto en 1804 por el ingeniero inglés Arthur Wolfe, quien patentó Motor de vapor compuesto de alta presión Wulff. En esta máquina, el vapor a alta temperatura de la caldera de vapor ingresaba al cilindro de alta presión, y luego el vapor que se escapaba a una temperatura y presión más bajas ingresaba al cilindro (o cilindros) de baja presión. Esto redujo la diferencia de temperatura en cada cilindro, lo que generalmente redujo las pérdidas de temperatura y mejoró la eficiencia general de la máquina de vapor. El vapor a baja presión tenía un volumen mayor y, por lo tanto, requería un volumen mayor del cilindro. Por lo tanto, en las máquinas compuestas, los cilindros de baja presión tenían un diámetro mayor (ya veces más largo) que los cilindros de alta presión.
Este arreglo también se conoce como "doble expansión" porque la expansión del vapor ocurre en dos etapas. A veces, un cilindro de alta presión se conectaba a dos cilindros de baja presión, lo que resultaba en tres cilindros de aproximadamente el mismo tamaño. Tal esquema era más fácil de equilibrar.
Las máquinas de composición de dos cilindros se pueden clasificar en:
- compuesto cruzado- Los cilindros están ubicados uno al lado del otro, sus canales de conducción de vapor están cruzados.
- Compuesto en tándem- Los cilindros están dispuestos en serie y utilizan un solo vástago.
- Compuesto de ángulo- Los cilindros forman un ángulo entre sí, normalmente de 90 grados, y funcionan con una manivela.
Después de la década de 1880, las máquinas de vapor compuestas se generalizaron en la fabricación y el transporte, y se convirtieron prácticamente en el único tipo utilizado en los barcos de vapor. Su uso en locomotoras de vapor no fue tan generalizado ya que resultaron demasiado complejos, en parte debido a las difíciles condiciones de funcionamiento de las máquinas de vapor en el transporte ferroviario. Aunque las locomotoras compuestas nunca se convirtieron en un fenómeno generalizado (especialmente en el Reino Unido, donde eran muy raras y no se usaron en absoluto después de la década de 1930), ganaron cierta popularidad en varios países.
Expansión múltiple
Diagrama simplificado de una máquina de vapor de triple expansión.
El vapor a alta presión (rojo) de la caldera pasa a través de la máquina, dejando el condensador a baja presión (azul).
El desarrollo lógico del esquema compuesto fue la adición de etapas de expansión adicionales, lo que aumentó la eficiencia del trabajo. El resultado fue un esquema de expansión múltiple conocido como máquinas de expansión triple o incluso cuádruple. Tales máquinas de vapor usaban una serie de cilindros de doble efecto, cuyo volumen aumentaba con cada etapa. A veces, en lugar de aumentar el volumen de los cilindros de baja presión, se utilizaba un aumento de su número, al igual que en algunas máquinas compuestas.
La imagen de la derecha muestra una máquina de vapor de triple expansión en funcionamiento. El vapor fluye a través de la máquina de izquierda a derecha. El bloque de válvulas de cada cilindro se encuentra a la izquierda del cilindro correspondiente.
La aparición de este tipo de máquinas de vapor se volvió especialmente relevante para la flota, ya que los requisitos de tamaño y peso para las máquinas de los barcos no eran muy estrictos y, lo más importante, dicho esquema facilitó el uso de un condensador que devuelve el vapor de escape en forma agua dulce volver a la caldera (era imposible utilizar agua de mar salada para alimentar las calderas). Las máquinas de vapor terrestres generalmente no experimentaban problemas con el suministro de agua y, por lo tanto, podían emitir vapor de escape a la atmósfera. Por lo tanto, tal esquema era menos relevante para ellos, especialmente considerando su complejidad, tamaño y peso. El dominio de las máquinas de vapor de expansión múltiple terminó solo con el advenimiento y el uso generalizado de las turbinas de vapor. Sin embargo, las turbinas de vapor modernas utilizan el mismo principio de dividir el flujo en cilindros de alta, media y baja presión.
Máquinas de vapor de flujo directo
Las máquinas de vapor de un solo paso surgieron como resultado de un intento de superar un inconveniente inherente a máquinas de vapor con distribución de vapor tradicional. El hecho es que el vapor en una máquina de vapor ordinaria cambia constantemente su dirección de movimiento, ya que la misma ventana en cada lado del cilindro se usa tanto para la entrada como para la salida del vapor. Cuando el vapor de escape sale del cilindro, enfría sus paredes y canales de distribución de vapor. El vapor fresco, en consecuencia, gasta una cierta parte de la energía en calentarlos, lo que conduce a una caída en la eficiencia. Las máquinas de vapor de un solo paso tienen un puerto adicional, que se abre mediante un pistón al final de cada fase, ya través del cual el vapor sale del cilindro. Esto mejora la eficiencia de la máquina ya que el vapor se mueve en una dirección y el gradiente de temperatura de las paredes del cilindro permanece más o menos constante. Las máquinas de un solo paso con una sola expansión muestran aproximadamente la misma eficiencia que las máquinas compuestas con distribución de vapor convencional. Además, pueden operar a velocidades más altas y, por lo tanto, antes de la llegada de las turbinas de vapor, a menudo se usaban para impulsar generadores de energía que requerían altas velocidades de rotación.
Las máquinas de vapor de un solo paso son de acción simple o doble.
Turbinas de vapor
Una turbina de vapor es una serie de discos giratorios fijos en un solo eje, llamado rotor de turbina, y una serie de discos fijos que alternan con ellos, fijos en una base, llamada estator. Los discos del rotor tienen palas en el lado exterior, se suministra vapor a estas palas y hace girar los discos. Los discos del estator tienen palas similares colocadas en ángulos opuestos, que sirven para redirigir el flujo de vapor a los siguientes discos del rotor. Cada disco de rotor y su correspondiente disco de estator se denomina etapa de turbina. El número y tamaño de las etapas de cada turbina se seleccionan de forma que se maximice la energía útil del vapor de la velocidad y presión que se le suministra. El vapor de escape que sale de la turbina entra en el condensador. Las turbinas giran a velocidades muy altas, por lo que las transmisiones reductoras especiales se usan comúnmente cuando se transfiere energía a otros equipos. Además, las turbinas no pueden cambiar su dirección de rotación y, a menudo, requieren mecanismos de inversión adicionales (a veces se utilizan etapas de rotación inversa adicionales).
Las turbinas convierten la energía del vapor directamente en rotación y no requieren mecanismos adicionales para convertir el movimiento alternativo en rotación. Además, las turbinas son más compactas que las máquinas alternativas y tienen una fuerza constante en el eje de salida. Dado que las turbinas tienen un diseño más simple, tienden a requerir menos mantenimiento.
Otros tipos de máquinas de vapor
Solicitud
Las máquinas de vapor se pueden clasificar según su aplicación de la siguiente manera:
Máquinas estacionarias
martillo de vapor
Motor de vapor en una antigua fábrica de azúcar, Cuba
Las máquinas de vapor estacionarias se pueden dividir en dos tipos según el modo de uso:
- Máquinas de servicio variable, que incluyen máquinas de laminación, cabrestantes de vapor y dispositivos similares, que deben detenerse y cambiar de dirección con frecuencia.
- Máquinas de potencia que rara vez se detienen y no tienen que cambiar la dirección de rotación. Estos incluyen motores de potencia en centrales eléctricas, así como motores industriales utilizados en fábricas, fábricas y teleféricos antes del uso generalizado de la tracción eléctrica. Los motores de baja potencia se utilizan en modelos marinos y en dispositivos especiales.
El cabrestante de vapor es esencialmente un motor estacionario, pero montado en bastidor de base para que se pueda mover. Se puede asegurar con un cable al ancla y mover por su propio empuje a una nueva ubicación.
Transporte y Vehículos
Las máquinas de vapor se usaban para conducir varios tipos vehículos, incluyendo:
- Vehículos terrestres:
- coche de vapor
- tractor de vapor
- excavadora de vapor, e incluso
- Avión de vapor.
En Rusia, la primera locomotora de vapor en funcionamiento fue construida por E. A. y M. E. Cherepanov en la planta de Nizhny Tagil en 1834 para transportar mineral. Desarrolló una velocidad de 13 millas por hora y transportó más de 200 libras (3,2 toneladas) de carga. La longitud del primer ferrocarril fue de 850 m.
Ventajas de las máquinas de vapor
La principal ventaja de las máquinas de vapor es que pueden utilizar casi cualquier fuente de calor para convertirlo en trabajo mecánico. Esto los distingue de los motores de combustión interna, cada uno de los cuales requiere el uso de un tipo específico de combustible. Esta ventaja es más notoria cuando se usa energía nuclear, ya que un reactor nuclear no es capaz de generar energía mecánica, sino que solo produce calor, que se utiliza para generar vapor que impulsa máquinas de vapor (generalmente turbinas de vapor). Además, existen otras fuentes de calor que no se pueden aprovechar en los motores de combustión interna, como la energía solar. Una dirección interesante es el uso de la energía de la diferencia de temperatura del Océano Mundial a diferentes profundidades.
Otros tipos de motores de combustión externa también tienen propiedades similares, como el motor Stirling, que puede proporcionar una eficiencia muy alta, pero es significativamente más grande y pesado que los tipos modernos de motores de vapor.
Las locomotoras de vapor funcionan bien a gran altura, ya que su eficiencia no disminuye debido a la baja presión atmosférica. Las locomotoras de vapor todavía se utilizan en las regiones montañosas de América Latina, a pesar de que en las tierras bajas han sido reemplazadas durante mucho tiempo por tipos de locomotoras más modernas.
En Suiza (Brienz Rothhorn) y Austria (Schafberg Bahn), las nuevas locomotoras de vapor que utilizan vapor seco han demostrado su eficacia. Este tipo de locomotora de vapor se desarrolló sobre la base de los modelos Swiss Locomotive and Machine Works (SLM), con muchas mejoras modernas, como el uso de cojinetes de rodillos, aislamiento térmico moderno, quema de fracciones de aceite ligero como combustible, tuberías de vapor mejoradas, etc. . Como resultado, estas locomotoras tienen un consumo de combustible un 60% menor y requisitos de mantenimiento significativamente menores. Las cualidades económicas de tales locomotoras son comparables a las modernas locomotoras diésel y eléctricas.
Además, las locomotoras de vapor son mucho más ligeras que las locomotoras diésel y eléctricas, lo que es especialmente cierto en el caso de los ferrocarriles de montaña. Una característica de las máquinas de vapor es que no necesitan transmisión, transfiriendo la potencia directamente a las ruedas.
Eficiencia
El coeficiente de rendimiento (COP) de un motor térmico se puede definir como la relación entre el trabajo mecánico útil y la cantidad gastada de calor contenido en el combustible. El resto de la energía se libera al medio ambiente en forma de calor. La eficiencia de la máquina térmica es
El interés por el vapor de agua, como fuente de energía asequible, apareció junto con los primeros conocimientos científicos de los antiguos. La gente ha estado tratando de domar esta energía durante tres milenios. ¿Cuáles son las principales etapas de este camino? ¿Qué reflexiones y proyectos han enseñado a la humanidad a sacar el máximo provecho de ello?
Requisitos previos para el surgimiento de las máquinas de vapor.
La necesidad de mecanismos que puedan facilitar procesos intensivos en mano de obra siempre ha existido. Hasta aproximadamente mediados del siglo XVIII, se utilizaron molinos de viento y ruedas hidráulicas para este propósito. La posibilidad de utilizar directamente la energía eólica depende de los caprichos del clima. Y para usar ruedas hidráulicas, las fábricas tenían que construirse a lo largo de las orillas de los ríos, lo que no siempre es conveniente y conveniente. Y la efectividad de ambos fue extremadamente baja. Se necesitaba un motor fundamentalmente nuevo, fácilmente manejable y desprovisto de estas deficiencias.
La historia de la invención y mejora de las máquinas de vapor.
La creación de una máquina de vapor es el resultado de mucho pensar, el éxito y el fracaso de las esperanzas de muchos científicos.
El comienzo del camino
Los primeros proyectos individuales eran solo curiosidades interesantes. Por ejemplo, Arquímedes construyó una pistola de vapor Garza de Alejandría utilizó la energía del vapor para abrir las puertas de los templos antiguos. Y los investigadores encuentran notas sobre la aplicación práctica de la energía del vapor para accionar otros mecanismos en las obras. leonardo da vinci
Considere los proyectos más significativos sobre este tema.
En el siglo XVI, el ingeniero árabe Tagi al Din desarrolló un diseño para una turbina de vapor primitiva. Sin embargo aplicación práctica no recibió debido a la fuerte dispersión del chorro de vapor suministrado a las palas de la rueda de la turbina.
Avance rápido a la Francia medieval. El físico e inventor talentoso Denis Papin, después de muchos proyectos fallidos, se detiene en el siguiente diseño: se llenó un cilindro vertical con agua, sobre el cual se instaló un pistón.
El cilindro se calentó, el agua hirvió y se evaporó. El vapor en expansión levantó el pistón. Se fijó en el punto más alto de la elevación y se esperaba que el cilindro se enfriara y el vapor se condensara. Después de que el vapor se condensara, se formó un vacío en el cilindro. El pistón, liberado de la sujeción, se precipitó al vacío bajo la acción de la presión atmosférica. Era esta caída del pistón la que se suponía que debía usarse como carrera de trabajo.
Entonces, la carrera útil del pistón fue causada por la formación de un vacío debido a la condensación de vapor y presión externa (atmosférica).
Porque la máquina de vapor Papin como la mayoría de los proyectos posteriores, se denominaron máquinas atmosféricas de vapor.
Este diseño tenía un inconveniente muy importante: no se proporcionó la repetibilidad del ciclo. A Denis se le ocurre la idea de obtener vapor no en un cilindro, sino por separado en una caldera de vapor.
Denis Papin entró en la historia de la creación de máquinas de vapor como el inventor de un detalle muy importante: la caldera de vapor.
Y como comenzaron a recibir vapor fuera del cilindro, el propio motor pasó a la categoría de motores de combustión externa. Pero debido a la falta de un mecanismo de distribución que garantice un funcionamiento ininterrumpido, estos proyectos apenas han encontrado aplicación práctica.
Una nueva etapa en el desarrollo de las máquinas de vapor
Durante unos 50 años, se ha utilizado para bombear agua en las minas de carbón. Bomba de vapor de Thomas Newcomen. Repitió en gran medida los diseños anteriores, pero contenía novedades muy importantes: una tubería para la extracción de vapor condensado y una válvula de seguridad para liberar el exceso de vapor.
Su inconveniente importante era que el cilindro tenía que calentarse antes de inyectar vapor y luego enfriarse antes de que se condensara. Pero la necesidad de este tipo de motores era tan alta que, a pesar de su evidente ineficiencia, los últimos ejemplares de estas máquinas sirvieron hasta 1930.
en 1765 el mecánico inglés james watt, comprometido en la mejora de la máquina de Newcomen, separó el condensador del cilindro de vapor.
Se hizo posible mantener el cilindro constantemente calentado. La eficiencia de la máquina aumentó inmediatamente. En los años siguientes, Watt mejoró significativamente su modelo, equipándolo con un dispositivo para suministrar vapor de un lado al otro.
Se hizo posible utilizar esta máquina no solo como bomba, sino también para impulsar varias máquinas herramienta. Watt recibió una patente por su invención: una máquina de vapor continua. Comienza la producción en masa de estas máquinas.
A principios del siglo XIX, en Inglaterra funcionaban máquinas de vapor de más de 320 vatios. Otros países europeos también comenzaron a comprarlos. Esto contribuyó a un aumento significativo de la producción industrial en muchas industrias, tanto en la propia Inglaterra como en los estados vecinos.
Veinte años antes que Watt, en Rusia, el mecánico de Altai Ivan Ivanovich Polzunov trabajó en el proyecto de la máquina de vapor.
Las autoridades de la fábrica le sugirieron que construyera una unidad que accionaría el soplador del horno de fundición.
La máquina que construyó era de dos cilindros y aseguraba el funcionamiento continuo del dispositivo conectado a ella.
Después de haber trabajado con éxito durante más de un mes y medio, la caldera comenzó a tener fugas. El propio Polzunov ya no estaba vivo en ese momento. El coche no fue reparado. Y se olvidó la maravillosa creación de un solo inventor ruso.
Debido al atraso de Rusia en ese momento. el mundo se enteró de la invención de I. I. Polzunov con gran retraso ...
Entonces, para impulsar una máquina de vapor, es necesario que el vapor generado por la caldera de vapor, expandiéndose, presione sobre el pistón o sobre los álabes de la turbina. Y luego su movimiento se transfirió a otras partes mecánicas.
El uso de máquinas de vapor en el transporte.
A pesar de que la eficiencia de las máquinas de vapor de esa época no superaba el 5%, para finales del XVIII siglos comenzaron a ser utilizados activamente en la agricultura y el transporte:
- en Francia hay un automóvil con máquina de vapor;
- en EE.UU., un barco de vapor comienza a circular entre las ciudades de Filadelfia y Burlington;
- en Inglaterra, se demostró una locomotora ferroviaria a vapor;
- un campesino ruso de la provincia de Saratov patentó un tractor de oruga construido por él con una capacidad de 20 hp. Con.;
- Se han hecho intentos repetidamente para construir un avión con una máquina de vapor, pero, desafortunadamente, la baja potencia de estas unidades con el gran peso del avión hizo que estos intentos fracasaran.
A finales del siglo XIX, las máquinas de vapor, habiendo desempeñado su papel en el progreso técnico de la sociedad, dieron paso a los motores eléctricos.
Dispositivos de vapor en el siglo XXI
Con la llegada de las nuevas fuentes de energía en los siglos XX y XXI, vuelve a aparecer la necesidad de utilizar la energía del vapor. Las turbinas de vapor se están convirtiendo en una parte integral de las centrales nucleares. El vapor que los alimenta se obtiene del combustible nuclear.
Estas turbinas también son muy utilizadas en centrales térmicas de condensación.
En varios países se están realizando experimentos para obtener vapor gracias a la energía solar.
Tampoco se olvidan las máquinas de vapor alternativas. En zonas montañosas como locomotora todavía se utilizan locomotoras de vapor.
Estos trabajadores confiables son más seguros y más baratos. No necesitan líneas eléctricas, y el combustible (madera y carbón barato) está siempre a mano.
Las modernas tecnologías permiten capturar hasta el 95% de las emisiones a la atmósfera y aumentar la eficiencia hasta en un 21%, por lo que la gente ha decidido no desprenderse de ellas todavía y están trabajando en una nueva generación de locomotoras a vapor.
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